JP6034813B2 - Rotation angle measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、磁気収束板を利用した回転角計測装置に関する。 The present invention relates to a rotation angle measuring device using a magnetic focusing plate.
近年、磁気検出素子(ホール素子、磁気抵抗素子など)と信号処理回路(LSI)を一体化した高機能な磁気センサLSIのさまざまな利用法が進んでいる。例えば、自動車では、ハンドルの回転角度を検出するための回転角センサがある。この種の回転角センサは、例えば、特許文献1に提案されている。この特許文献1には、周囲の磁場を集めて増幅する磁気収束板とシリコン基板上のホール素子を利用した回転角センサが開示されている。
図1は、特許文献1に記載の回転角センサを説明するための構成図である。この回転角センサは、回転体に取り付けられた回転磁石1と、この回転磁石1の下に離れて置かれた集積回路(シリコン基板)2があり、このシリコン基板2上には、このシリコン基板2上に形成されたホール素子3と、さらにそのホール素子3上に磁気収束板4が設けられている。そして、回転磁石1から発生するシリコン基板2の平面に平行な磁場(横磁場)を、磁気収束板4とホール素子3を用いて検出することで、回転磁石1の回転角度を算出するものである。
In recent years, various uses of a highly functional magnetic sensor LSI in which a magnetic detection element (Hall element, magnetoresistive element, etc.) and a signal processing circuit (LSI) are integrated have been advanced. For example, in an automobile, there is a rotation angle sensor for detecting the rotation angle of a handle. This type of rotation angle sensor is proposed in
FIG. 1 is a configuration diagram for explaining a rotation angle sensor described in
図2は、図1におけるシリコン基板上に形成されたホール素子と磁気収束板の配置を説明するための図である。シリコン基板2に並行な面をXY平面として、XY平面上の原点を中心に、円形の磁気収束板4が配置され、磁気収束板4の縁の円周下にホール素子3が4つ配置されている。ホール素子(H0、H180)3が、X軸上に原点を中心として対称な位置に配置され、同じくホール素子(H90、H270)3がY軸上に原点を中心として対称な位置に配置されている。H0とH90は、図2のXY座標平面において正の座標成分を有する位置に配置されている。
FIG. 2 is a view for explaining the arrangement of the Hall elements and the magnetic focusing plates formed on the silicon substrate in FIG. With the plane parallel to the
図3は、図1における回転磁石と磁気収束板とホール素子とシリコン基板とをX軸方向に沿ってみた断面図である。シリコン基板2から垂直に回転磁石1へ向かう方向がZ軸正方向であり、H180からH0の方向がX軸正方向である。また、ホール素子は、磁気収束板4の縁の下に、磁気収束板4の中心に対して対称な位置に2つ描かれている。これらホール素子H0及びH180の感磁面は、シリコン基板2の平面に対して垂直方向となっている。したがって、Z軸方向の磁場を検出する。
しかしながら、図3に示されるように、回転磁石1から発生した磁場は、磁気収束板4に引き寄せられるため、シリコン基板2の平面と並行な横磁場(図3)においてはX軸成分)は、シリコン基板2の平面に対して垂直な方向(Z軸方向)へ曲げられ、ホール素子の感磁面を通過する。したがって、これらのホール素子は、横磁場を信号として検出できる。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the rotating magnet, the magnetic focusing plate, the Hall element, and the silicon substrate in FIG. 1 as viewed along the X-axis direction. A direction perpendicular to the rotating
However, as shown in FIG. 3, since the magnetic field generated from the rotating
このような構成によって、図2に示したホール素子H0とH180は、磁気収束板4に入射する磁場のX軸成分及びZ軸成分を検出し、同様にH90とH270は、Y軸成分及びZ軸成分を検出する。
図2において、磁気収束板4に入射する磁場が、原点を中心にX軸から反時計まわりにθの向きに入射している様子が描かれている。この時、H0は、磁場のX軸成分を正符号出力(+Vx)で検出し、H180は、負符号出力(−Vx)で検出するものとする。同様に、H90は、磁場のY軸成分を正符号出力(+Vy)で検出し、H270は、負符号出力(−Vy)で検出するものとする。そして4つのホール素子は、すべて磁場のZ軸成分をXY平面に入射する方向を正符号出力(+Vz)として検出するものとする。
With such a configuration, the Hall elements H0 and H180 shown in FIG. 2 detect the X-axis component and the Z-axis component of the magnetic field incident on the
In FIG. 2, a state in which the magnetic field incident on the
したがって、H0とH180の差分、H90とH270の差分で検出される信号HVX、HVYは、
HVX=+Vx+Vz−(−Vx+Vz)=2Vx ・・・(1)
HVY=+Vy+Vz−(−Vy+Vz)=2Vy ・・・(2)
となる。つまり、磁場強度のX軸成分及びY軸成分である。Z軸成分はキャンセルされて検出されない。
ここで、回転角センサは、HVXとHVYから磁場の角度θを
θ=atan(HVY/HVX) ・・・(3)
として、算出する。なお、このように角度が算出できるのは回転磁場に対する磁気収束板下の磁場強度が理想的な正弦波状の変化を示すためである。
Therefore, the signals HVX and HVY detected by the difference between H0 and H180 and the difference between H90 and H270 are
HVX = + Vx + Vz − (− Vx + Vz) = 2Vx (1)
HVY = + Vy + Vz − (− Vy + Vz) = 2Vy (2)
It becomes. That is, the X-axis component and the Y-axis component of the magnetic field strength. The Z-axis component is canceled and not detected.
Here, the rotation angle sensor calculates the magnetic field angle θ from HVX and HVY θ = atan (HVY / HVX) (3)
As follows. Note that the angle can be calculated in this way because the magnetic field strength under the magnetic converging plate with respect to the rotating magnetic field shows an ideal sinusoidal change.
図4は、上述した特許文献1による回転角センサの信号処理を説明するためのブロック構成図である。回転角センサは、ホール素子H0、H180、H90、H270と、H0とH180の検出信号を減算するX軸減算部11Xと、H90とH270の検出信号を減算するY軸減算部11Yと、X軸減算部11Xの出力(式(1))と、Y軸減算部11Yの出力(式(2))とから式(3)により角度を算出する演算部12とからなる。
また、特許文献2に記載の角度算出手法は、上述したようなXY座標系を利用したものでなく、磁気収束板の円周下に等間隔に配置された複数のホール素子において、信号出力の符号が異なる隣接する2つのホール素子の出力から角度を算出するものである。
FIG. 4 is a block configuration diagram for explaining the signal processing of the rotation angle sensor according to
In addition, the angle calculation method described in
このような回転角センサにおいては、ホール素子のオフセットや、ホール素子からの信号を増幅する増幅器のオフセット及びゲインがX軸とY軸で異なることにより発生する算出角度と、検出対象となる回転磁場の角度の誤差が問題となり、いくつかの解決手段が提示されている。例えば、特許文献3は、磁気収束板のホール素子の配置を鏡像関係となるよう配置することでホール素子が有するオフセットを低減するものである。また、例えば、特許文献4は、X軸とY軸に配置された磁気センサが検出するX成分信号とY成分信号に対し、座標変換を施すことで角度誤差を低減するものである。
また、例えば、特許文献5には、外部磁石の磁場歪みによって発生する角度誤差を低減する手法が開示されている。この特許文献5に記載の回転角センサは、MR(磁気抵抗)素子が有する誤差又は外部磁石の磁場の歪みによる誤差を低減するものである。
さらに、例えば、特許文献6には、磁気収束板を利用し、2個以上のホール素子によって各軸成分を演算する手法が開示されている。
In such a rotation angle sensor, the offset of the Hall element, the calculated angle generated when the offset and gain of the amplifier that amplifies the signal from the Hall element are different between the X axis and the Y axis, and the rotating magnetic field to be detected The angle error is a problem, and several solutions have been proposed. For example,
Further, for example,
Furthermore, for example,
本発明が対象とする磁気収束板とホール素子を利用した回転角計測装置においては、磁気収束板の性質に注意が必要である。
磁気収束板は、弱い磁場では印加された磁場に対し、線形に磁化されてゆくが、ある一定強度以上の磁場が印加された場合、もはや線形に磁化されなくなる。そのような、線形に磁化されなくなる点を便宜上、磁気飽和点と定義し、線形に磁化されない現象を磁気飽和(現象)と定義する。
図5は、磁気飽和点70mTの磁気収束板に50mTと100mTの磁場を印加したときに、印加方向からなす角度0度〜360度における磁気収束板円周下の磁場強度の変化の様子を示す図である。図5では0度方向(印加磁場と並行)の磁場強度を1と規格化している。図5から分かるように、磁気飽和点以下の50mTの磁場印加では、磁気収束板下の磁場強度は磁場の角度に対して理想的な正弦波(余弦波)を形成する(図5中の菱形プロットとそれらを結ぶ線)が、磁気飽和点以上の100mTの磁場印加では、歪んだ正弦波となる(図5中の四角プロットとそれらを結ぶ線)ことがわかる。
従って、このような磁気飽和点以上の磁場を回転させたときには、磁場の変化が理想的な正弦波ではなくなるので、上記に説明してきた回転角計測装置の算出角度に誤差が発生する。
In the rotation angle measuring device using the magnetic converging plate and the Hall element targeted by the present invention, attention must be paid to the properties of the magnetic converging plate.
The magnetic converging plate is linearly magnetized with respect to the applied magnetic field in a weak magnetic field, but is no longer linearly magnetized when a magnetic field having a certain intensity or more is applied. For the sake of convenience, such a point that is not magnetized linearly is defined as a magnetic saturation point, and a phenomenon that is not linearly magnetized is defined as magnetic saturation (phenomenon).
FIG. 5 shows how the magnetic field intensity changes below the circumference of the magnetic convergence plate at an angle of 0 to 360 degrees formed from the application direction when a magnetic field of 50 mT and 100 mT is applied to the magnetic convergence plate with a magnetic saturation point of 70 mT. FIG. In FIG. 5, the magnetic field intensity in the 0 degree direction (parallel to the applied magnetic field) is normalized to 1. As can be seen from FIG. 5, when a magnetic field of 50 mT below the magnetic saturation point is applied, the magnetic field intensity below the magnetic focusing plate forms an ideal sine wave (cosine wave) with respect to the angle of the magnetic field (diamonds in FIG. 5). It can be seen that the plot and the line connecting them) become a distorted sine wave when a magnetic field of 100 mT above the magnetic saturation point is applied (the square plot in FIG. 5 and the line connecting them).
Therefore, when the magnetic field above the magnetic saturation point is rotated, the change in the magnetic field is not an ideal sine wave, and an error occurs in the calculated angle of the rotation angle measuring device described above.
図6は、上記に説明した磁気飽和点以上の100mTの回転磁場を印加したときに、回転角センサが算出する角度に含まれる角度誤差をシミュレーションした図である。
図6から分かるように、角度誤差は0度、45度、90度と45度おきに最小(0度近辺)となり、1回転360度の間に誤差のピークが正負それぞれ4回の波形(以後、角度誤差の4倍波と呼ぶ)となっている。この角度誤差は、磁気収束板の磁気飽和によって発生するものである。高精度かつ高信頼な回転角計測装置において、このような磁気飽和が起きたことを検出することが重要である。磁気飽和が起きるということは、例えば、回転軸に取り付けられた磁石が本来の位置からずれた、あるいは回転軸がずれたということと等価であり、回転角計測装置のユーザーにとって望ましくない故障である。そして、制御の点から角度誤差の増大も望ましくないものでもある。例えば、モーター制御用途の回転角計測装置の場合、角度誤差はトルクリップルにつながることになる。
FIG. 6 is a diagram simulating an angle error included in the angle calculated by the rotation angle sensor when a rotating magnetic field of 100 mT above the magnetic saturation point described above is applied.
As can be seen from FIG. 6, the angle error is 0 degree, 45 degree, 90 degree, and every 45 degrees, the minimum (near 0 degree). , Called a quadruple wave of the angle error). This angular error is caused by magnetic saturation of the magnetic focusing plate. It is important to detect that such magnetic saturation has occurred in a highly accurate and highly reliable rotation angle measuring device. The occurrence of magnetic saturation is equivalent to, for example, that the magnet attached to the rotating shaft is displaced from the original position or the rotating shaft is displaced, which is an undesirable failure for the user of the rotation angle measuring device. . Also, an increase in angular error is undesirable from the point of control. For example, in the case of a rotation angle measuring device for motor control use, the angle error leads to torque ripple.
しかしながら、特許文献1〜6のすべてにおいて、この磁気飽和を検出する手法も開示されていない。
特に最近、パワーステアリングシステム等の自動車の分野では、ISO26262に準拠する機能安全が求められるようになった。ISO26262に準拠するために、発明者らは、自動車の分野で使われる回転角計測装置が、回転磁石等の故障を高速に検出可能でなければならないことを見出した。つまり、発明者らは、例えば回転磁石の故障により磁気収束板の磁気飽和が起こったときに、磁気飽和を素早く確実に検出しなければならないという新たな課題を見出した。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、回転磁石を利用した回転角計測装置からなる制御システムが、回転磁石等の故障により誤作動することを防ぐために、磁気収束板を利用した回転角計測装置において、磁気飽和を素早く確実に検出することが可能な回転角計測装置を提供することにある。
However, none of
Particularly recently, in the field of automobiles such as power steering systems, functional safety conforming to ISO 26262 has been required. In order to comply with ISO26262, the inventors have found that a rotation angle measuring device used in the field of automobiles must be able to detect a failure of a rotating magnet or the like at high speed. That is, the inventors have found a new problem that magnetic saturation must be detected quickly and reliably when magnetic saturation of the magnetic focusing plate occurs due to, for example, a rotating magnet failure.
The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to prevent a control system including a rotation angle measuring device using a rotating magnet from malfunctioning due to a failure of the rotating magnet or the like. Therefore, an object of the present invention is to provide a rotation angle measuring device that can detect magnetic saturation quickly and reliably in a rotation angle measuring device using a magnetic converging plate.
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、複数のホール素子対を備えた回転角計測装置であって、前記複数のホール素子対の感磁面上に設けられた磁気収束板と、前記磁気収束板を平面視で覆うように前記磁気収束板に近接配置された回転磁石と、前記複数のホール素子対の複数の対の出力信号に基づいて、前記回転磁石の回転角情報を複数算出する1以上の角度算出部と、前記複数の回転角情報にそれぞれ対応した前記複数の対の出力信号に基づく複数の振幅情報を算出する振幅算出部と、前記複数の回転角情報、および、前記複数の振幅情報のうち2つの振幅情報の差分と第1の基準信号出力部が出力する第1の基準信号との比較結果とに基づいて、前記回転角計測装置の故障を検知する故障検知部と、を備えている回転角計測装置である。
また、複数のホール素子対を備えた回転角計測装置であって、前記複数のホール素子対の感磁面上に設けられた磁気収束板と、前記磁気収束板を平面視で覆うように前記磁気収束板に近接配置された回転磁石と、前記複数のホール素子対の複数の対の出力信号に基づいて、前記回転磁石の回転角情報を複数算出する1以上の角度算出部と、前記複数の回転角情報にそれぞれ対応した前記複数の対の出力信号に基づく複数の振幅情報を算出する振幅算出部と、前記複数の回転角情報、および、前記複数の振幅情報のうち第1の振幅情報と第1の基準信号出力部が出力する第1の基準信号との比較結果と、前記複数の振幅情報のうち前記第1の振幅情報と異なる第2の振幅情報と第2の基準信号出力部が出力する第2の基準信号との比較結果とに基づいて、前記回転角計測装置の故障を検知する故障検知部と、を備えている回転角計測装置である。
また、複数のホール素子対を備えた回転角計測装置であって、前記複数のホール素子対の感磁面上に設けられた磁気収束板と、前記磁気収束板を平面視で覆うように前記磁気収束板に近接配置された回転磁石と、前記複数のホール素子対の複数の対の出力信号に基づいて、前記回転磁石からの磁場強度を表す振幅情報を複数算出する振幅算出部と、前記複数の振幅情報のうち2つの振幅情報の差分と、第1の基準信号出力部が出力する第1の基準信号とを比較し、前記回転角計測装置の故障を検知する故障検知部と、を備えている回転角計測装置である。
また、複数のホール素子対を備えた回転角計測装置であって、前記複数のホール素子対の感磁面上に設けられた磁気収束板と、前記磁気収束板を平面視で覆うように前記磁気収束板に近接配置された回転磁石と、前記複数のホール素子対の複数の対の出力信号に基づいて、前記回転磁石からの磁場強度を表す振幅情報を複数算出する振幅算出部と、前記複数の振幅情報のうち第1の振幅情報と第1の基準信号出力部が出力する第1の基準信号とを比較し、前記複数の振幅情報のうち前記第1の振幅情報と異なる第2の振幅情報と第2の基準信号出力部が出力する第2の基準信号とを比較し、前記回転角計測装置の故障を検知する故障検知部と、を備えている回転角計測装置である。
The present invention has been made in order to achieve such an object, and is a rotation angle measuring device including a plurality of Hall element pairs, and a magnetic field provided on a magnetic sensitive surface of the plurality of Hall element pairs. a converging plate, the magnetic flux concentrator, based on the a rotating magnet disposed proximate to the magnetic flux concentrator, the output signals of the plurality of pairs of pre-Symbol plurality of Hall elements pairs to cover in a plan view, of the rotating magnet One or more angle calculation units for calculating a plurality of rotation angle information; an amplitude calculation unit for calculating a plurality of amplitude information based on the plurality of pairs of output signals respectively corresponding to the plurality of rotation angle information; and the plurality of rotations Failure of the rotation angle measurement device based on angle information and a comparison result between the difference between two pieces of amplitude information among the plurality of amplitude information and the first reference signal output from the first reference signal output unit A failure detection unit for detecting A rotation angle measuring device.
The rotation angle measuring device includes a plurality of Hall element pairs, the magnetic convergence plate provided on the magnetic sensitive surface of the plurality of Hall element pairs, and the magnetic convergence plate so as to cover the magnetic convergence plate in plan view. a rotary magnet which is arranged close to the magnetic flux concentrator, and the previous SL more based on the output signals of a plurality of pairs of Hall element pairs, the one or more angle calculation section that calculates a plurality of rotation angle information of the rotating magnet, wherein An amplitude calculator that calculates a plurality of amplitude information based on the plurality of pairs of output signals respectively corresponding to a plurality of rotation angle information, the plurality of rotation angle information, and a first amplitude among the plurality of amplitude information The comparison result between the information and the first reference signal output from the first reference signal output unit, the second amplitude information different from the first amplitude information among the plurality of amplitude information, and the second reference signal output The result of comparison with the second reference signal Zui and a rotational angle measuring device comprises a a failure detection unit for detecting a failure of the rotation angle measurement device.
The rotation angle measuring device includes a plurality of Hall element pairs, the magnetic convergence plate provided on the magnetic sensitive surface of the plurality of Hall element pairs, and the magnetic convergence plate so as to cover the magnetic convergence plate in plan view. An amplitude calculator that calculates a plurality of amplitude information representing the magnetic field intensity from the rotating magnet, based on output signals of a plurality of pairs of the plurality of Hall element pairs, and a rotating magnet disposed in proximity to the magnetic focusing plate; Comparing a difference between two pieces of amplitude information among a plurality of pieces of amplitude information and a first reference signal output from the first reference signal output unit, and detecting a failure in the rotation angle measuring device; The rotation angle measuring device is provided.
The rotation angle measuring device includes a plurality of Hall element pairs, the magnetic convergence plate provided on the magnetic sensitive surface of the plurality of Hall element pairs, and the magnetic convergence plate so as to cover the magnetic convergence plate in plan view. An amplitude calculator that calculates a plurality of amplitude information representing the magnetic field intensity from the rotating magnet, based on output signals of a plurality of pairs of the plurality of Hall element pairs, and a rotating magnet disposed in proximity to the magnetic focusing plate; Of the plurality of amplitude information, the first amplitude information is compared with the first reference signal output from the first reference signal output unit, and the second amplitude different from the first amplitude information among the plurality of amplitude information. A rotation angle measurement device comprising: a failure detection unit that compares amplitude information with a second reference signal output from a second reference signal output unit and detects a failure of the rotation angle measurement device.
また、前記故障検知部は、さらに前記複数の回転角情報と、第3の基準信号出力部が出力する第3の基準信号とに基づいて、前記回転角計測装置の故障を検知することを特徴とする。
また、前記故障検知部は、前記複数の回転角情報のうち2つの差分と、前記第3の基準信号とに基づいて、前記回転角計測装置の故障を検知することを特徴とする。
また、前記差分を算出する差分算出部を備えていることを特徴とする。
また、前記故障検知部は、前記磁気収束板の磁気飽和を検知することを特徴とする。
Further, the failure detection unit, characterized in that further said plurality of rotation angle information, on the basis of the third reference signal the reference signal output section of the 3 outputs, to detect a failure of the rotation angle measurement device And
Further, the failure detection unit detects a failure of the rotation angle measurement device based on two differences among the plurality of rotation angle information and the third reference signal.
In addition, a difference calculation unit that calculates the difference is provided.
Further, the failure detection unit detects magnetic saturation of the magnetic flux concentrating plate .
また、前記故障検知部は、前記複数の回転角情報に基づいて、前記回転角計測装置が故障であるかどうかを示す第1の故障判定信号を出力し、前記複数の振幅情報に基づいて、前記回転角計測装置が故障であるかどうかを示す第2の故障判定信号を出力し、前記第1及び第2の故障判定信号のうち少なくとも1つが故障であることを示すときに、前記回転角計測装置が故障であると判定することを特徴とする。 Also, the failure detection unit, based on the plurality of rotational angle information, and outputs the first failure determination signal indicating whether the or the rotational angle measuring device is faulty, based on said plurality of amplitude information , Outputting a second failure determination signal indicating whether or not the rotation angle measuring device is in failure, and when at least one of the first and second failure determination signals indicates failure, the rotation It is characterized in that it is determined that the angle measuring device is out of order.
また、前記故障検知部は、前記複数の回転角情報に基づいて、前記回転角計測装置が故障であるかどうかを示す第1の故障判定信号を出力し、前記複数の振幅情報に基づいて、前記回転角計測装置が故障であるかどうかを示す第2の故障判定信号を出力し、前記複数の回転角情報のうち1つの回転角情報と、前記複数の回転角情報のうち2つの回転角情報の差分と、前記複数の振幅情報のうち2つの振幅情報の差分と、前記第1の故障判定信号と、前記第2の故障判定信号とに基づいて、前記磁気収束板の磁気飽和の判定と、前記複数のホール素子対の故障の判定と、を行う判定部をさらに備えていることを特徴とする。 The failure detection unit outputs a first failure determination signal indicating whether or not the rotation angle measurement device is in failure based on the plurality of rotation angle information, and based on the plurality of amplitude information, A second failure determination signal indicating whether or not the rotation angle measuring device is out of order is output, and one rotation angle information among the plurality of rotation angle information and two rotation angles among the plurality of rotation angle information. Determination of magnetic saturation of the magnetic convergence plate based on information difference, difference between two pieces of amplitude information among the plurality of amplitude information, the first failure determination signal, and the second failure determination signal And determining a failure of the plurality of Hall element pairs.
また、前記故障検知部は、前記角度算出部の出力に基づいて、前記回転角計測装置が故障であるかどうかを示す第1の故障判定信号を出力し、前記第1の振幅情報に基づいて、前記回転角計測装置が故障であるかどうかを示す第2の故障判定信号を出力し、前記第2の振幅情報に基づいて、前記回転角計測装置が故障であるかどうかを示す第3の故障判定信号を出力し、前記第1〜第3の故障判定信号のうち少なくとも1つが故障であることを示すときに、前記回転角計測装置が故障であると判定することを特徴とする。
また、前記複数の対は、少なくとも3つの対であり、前記故障検知部は、前記複数の回転角情報のうち2つの回転角情報の差分を2つ以上算出し、これら2つ以上の差分と前記第3の基準信号とに基づいて、前記回転角計測装置の故障を検知することを特徴とする。
The failure detection unit outputs a first failure determination signal indicating whether or not the rotation angle measurement device is in failure based on the output of the angle calculation unit, and based on the first amplitude information. And outputting a second failure determination signal indicating whether or not the rotation angle measuring device is out of order, and indicating whether or not the rotation angle measuring device is out of order based on the second amplitude information. A failure determination signal is output, and when at least one of the first to third failure determination signals indicates a failure, the rotation angle measuring device is determined to be defective.
In addition, the plurality of pairs are at least three pairs, and the failure detection unit calculates two or more differences between two pieces of rotation angle information among the plurality of pieces of rotation angle information, A failure of the rotation angle measuring device is detected based on the third reference signal.
また、前記故障検知部は、前記2つ以上の差分と前記第3の基準信号とをそれぞれ比較して前記回転角計測装置が故障であるかどうかを示す信号をそれぞれ出力し、これら信号のうち少なくとも1つが故障であることを示すときに、前記回転角計測装置が故障であると判定することを特徴とする。 The failure detection unit compares the two or more differences with the third reference signal and outputs a signal indicating whether or not the rotation angle measurement device is in failure, and among these signals, When at least one of them indicates a failure, the rotation angle measuring device is determined to be a failure .
また、前記故障検知部は、前記第1の振幅情報に基づいて、前記回転角計測装置が故障であるかどうかを示す第1の故障判定信号を出力し、前記第2の振幅情報に基づいて、前記回転角計測装置が故障であるかどうかを示す第2の故障判定信号を出力し、前記第1〜第2の故障判定信号のうち少なくとも1つが故障であることを示すときに、前記回転角計測装置が故障であると判定することを特徴とする。 Also, the failure detection unit, based on the first amplitude information, and outputs the first failure determination signal indicating whether the or the rotational angle measuring device is faulty, based on the second amplitude information Output a second failure determination signal indicating whether or not the rotation angle measuring device is in failure, and when at least one of the first to second failure determination signals indicates failure, It is characterized by determining that the rotation angle measuring device is out of order.
また、前記複数のホール素子対は、前記磁気収束板の上に極座標が定義されたときに、前記極座標の原点を中心とする円周下に45度ずつそれぞれずらして配置されていることを特徴とする。
また、前記複数のホール素子対は、前記磁気収束板の上に極座標が定義されたときに、前記極座標の原点を基準として、90°/Nの整数倍(Nは2以上の整数)の角度の座標軸を挟んで2つのホール素子対が配置されていることを特徴とする。
Further, the plurality of Hall element pairs are arranged so as to be shifted by 45 degrees below the circumference around the origin of the polar coordinates when the polar coordinates are defined on the magnetic convergence plate. And
The plurality of Hall element pairs have an angle that is an integer multiple of 90 ° / N (N is an integer of 2 or more) with respect to the origin of the polar coordinates when the polar coordinates are defined on the magnetic convergence plate. Two Hall element pairs are arranged across the coordinate axes of the above.
本発明によれば、回転磁石を利用した回転角計測装置からなる制御システムが、回転磁石等の故障により誤作動することを防ぐために、磁気収束板を利用した回転角計測装置において、磁気飽和を素早く確実に検出することが可能な回転角計測装置を提供する。この本発明による効果は、特に、車載用途向けといった安全要求が厳しい用途で使用される回転角センサにおいては、非常に有益なものである。 According to the present invention, in order to prevent a control system including a rotation angle measuring device using a rotating magnet from malfunctioning due to a failure of the rotating magnet or the like, in the rotation angle measuring device using a magnetic convergence plate, magnetic saturation is performed. Provided is a rotation angle measuring device capable of detecting quickly and reliably. This effect according to the present invention is very useful particularly in a rotation angle sensor used in a safety demanding application such as for in-vehicle use.
以下、図面を参照して本発明の各実施形態について説明する。なお、各実施形態において、回転角情報補正部、又は平均値算出部が備えられているが、不要の場合は利用しなくて良い。
まず、実施形態1は2つの座標系を用いる場合、実施形態2は3つの座標系を用いる場合で説明を行う。
[実施形態1]
図7は、本発明に係る回転角計測装置の実施形態1のホール素子の配置を説明する図である。円形の磁気収束板14の円周下の反時計回りに45度おきにそれぞれ複数のホール素子H0、H45、H90、H135、H180、H225、H270、H315が配置されている。複数のホール素子H0、H45、H90、H135、H180、H225、H270、H315のうち、H0とH180が1つのホール素子対、H45とH225が1つのホール素子対、H90とH270が1つのホール素子対、H135とH315が1つのホール素子対となっている。そして、複数のホール素子対の感磁面上には円形の磁気収束板14が設けられている。また、磁気収束板14には回転磁石が磁気収束板14を平面視で覆うように近接配置されている。
Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In each embodiment, a rotation angle information correction unit or an average value calculation unit is provided, but it may not be used when not required.
First, the first embodiment will be described using two coordinate systems, and the second embodiment will be described using three coordinate systems.
[Embodiment 1]
FIG. 7 is a diagram for explaining the arrangement of the Hall elements of the first embodiment of the rotation angle measuring device according to the present invention. A plurality of Hall elements H0, H45, H90, H135, H180, H225, H270, and H315 are arranged every 45 degrees counterclockwise below the circumference of the circular
この円形の磁気収束板14の中心点Gは、複数のホール素子対H0とH180、H45とH225、H90とH270、H135とH315を結ぶ線分の中点でもある。H180からH0へ向かう直線上にX軸を形成し、H270からH90に向かう直線上にY軸を形成すると、図2の従来と同じXY座標系が形成できる。一方、H225からH45へ向かう直線をX45軸、H315からH135へ向かう直線上にY45軸を形成すると、XY座標系をG中心で反時計回りに45度回転させたXY45座標系となる。
つまり、複数のホール素子対は、90°/Nの整数倍の座標系の座標軸の位置にそれぞれ配置されている。この場合はN=2であり、複数のホール素子対は90°/Nの0倍と1倍の座標系の座標軸の位置にそれぞれ配置されている。また、複数のホール素子対は、磁気収束板の円周下に45度ずつそれぞれずらして配置されていることが好ましい。
The center point G of the circular
In other words, the plurality of Hall element pairs are respectively arranged at the positions of the coordinate axes of the coordinate system that is an integral multiple of 90 ° / N. In this case, N = 2, and the plurality of Hall element pairs are respectively arranged at the coordinate axis positions of the coordinate system of 0 times and 1 times of 90 ° / N. Moreover, it is preferable that the plurality of Hall element pairs are shifted by 45 degrees below the circumference of the magnetic flux concentrating plate.
従来と同様に、H0とH180の差分が磁場のX成分を、H90とH270の差分が磁場のY成分を表す出力信号(それぞれHVX、HVY)となる。これと同様、H45とH225の差分が磁場のX45成分を、H135とH315の差分が磁場のY45成分を表す出力信号(それぞれHVX45とHVY45)となる。
ここでXY座標系を構成しているホール素子H0、H90、H180、H270の配置を配置Aとし、XY45座標系を構成しているホール素子H45、H135、H225、H315の配置を配置Bとする。
As in the prior art, the difference between H0 and H180 is an output signal (HVX and HVY, respectively) representing the X component of the magnetic field and the difference between H90 and H270 is the Y component of the magnetic field. Similarly, the difference between H45 and H225 is an output signal (HVX45 and HVY45, respectively) representing the X45 component of the magnetic field, and the difference between H135 and H315 is the Y45 component of the magnetic field.
Here, the arrangement of the Hall elements H0, H90, H180, and H270 constituting the XY coordinate system is referred to as arrangement A, and the arrangement of the Hall elements H45, H135, H225, and H315 constituting the XY45 coordinate system is referred to as arrangement B. .
そして、磁気収束板に入射する磁場Bが、原点を中心にX軸から反時計まわりにθの向きに入射しているとすると、磁場強度を表す信号振幅をVBとすると
HVX=VBcosθ
HVY=VBsinθ
となる。一方、磁場Bは同様にX45軸から反時計回りにθ45の向きに入射しているとすると、
HVX45=VBcosθ45
HVY45=VBsinθ45
となる。それぞれ、角度θとθ45は以下の式で表される。
θ=atan(HVY/HVX)
θ45=atan(HVY45/HVX45)
ここで、角度誤差がない場合をそれぞれ、θideal、θ45idealと定義しておく。
If the magnetic field B incident on the magnetic converging plate is incident in the direction of θ counterclockwise from the X axis with the origin as the center, assuming that the signal amplitude representing the magnetic field strength is V B HVX = V B cos θ
HVY = V B sin θ
It becomes. On the other hand, if the magnetic field B is similarly incident in the direction of θ45 counterclockwise from the X45 axis,
HVX45 = V B cos θ45
HVY45 = V B sin θ45
It becomes. The angles θ and θ45 are expressed by the following equations, respectively.
θ = atan (HVY / HVX)
θ45 = atan (HVY45 / HVX45)
Here, the cases where there is no angular error are defined as θideal and θ45ideal, respectively.
XY45座標系はXY座標系を反時計回りに45度回転させたものであるから、θ45に45°加算した角度をθcとすると、角度誤差がない場合はθidealと同じになる。つまり、
θc=θ45+45°
θc_ideal=θ45ideal+45°=θideal
磁気飽和によって角度誤差がXY座標系でΔθ、XY45座標系でΔθ45発生していたとすると、それぞれ
θ=θideal+Δθ
θ45=θ45ideal+Δθ45
となる。そして、
θc=θ45+45°=θ45ideal+Δθ45+45°=θideal+Δθ45
となり、θcの角度誤差はΔθ45である。
Since the XY45 coordinate system is obtained by rotating the XY coordinate system 45 degrees counterclockwise, assuming that the angle obtained by adding 45 ° to θ45 is θc, it is the same as θideal when there is no angle error. That means
θc = θ45 + 45 °
θc_ideal = θ45 ideal + 45 ° = θ ideal
Assuming that due to magnetic saturation, Δθ is generated in the XY coordinate system and Δθ45 is generated in the XY45 coordinate system, θ = θideal + Δθ respectively.
θ45 = θ45 ideal + Δθ45
It becomes. And
θc = θ45 + 45 ° = θ45 ideal + Δθ45 + 45 ° = θideal + Δθ45
Thus, the angle error of θc is Δθ45.
図8は、図7に示される回転角計測装置の磁気収束板に磁気飽和点70mT以上の100mTの回転磁場を印加したときに、回転角計測装置が算出する角度に含まれる角度誤差Δθ、Δθ45をシミュレーションした図である。
磁場の角度に対して配置Aのホール素子による角度算出誤差Δθは、図中実線で表されており、図6と同じ4倍波である。一方、XY45座標系を形成した配置Bのホール素子による角度算出θ45に45°を加算したθcの角度誤差Δθ45は、図中点線で表されており、Δθと同じ4倍波であるが、その極性が反転しているものである。これは、XY45座標系で測定されたΔθ45がΔθに対して4×45°=180°分位相がずれるためである。表1は、ΔθとΔθ45の角度範囲毎の極性を示した表である。
FIG. 8 shows angular errors Δθ and Δθ45 included in the angles calculated by the rotation angle measurement device when a 100 mT rotation magnetic field with a magnetic saturation point of 70 mT or more is applied to the magnetic convergence plate of the rotation angle measurement device shown in FIG. It is the figure which simulated.
The angle calculation error Δθ by the Hall element in the arrangement A with respect to the magnetic field angle is represented by a solid line in the figure, and is the same fourth harmonic as in FIG. On the other hand, the angle error Δθ45 of θc obtained by adding 45 ° to the angle calculation θ45 by the Hall element of the arrangement B forming the XY45 coordinate system is represented by a dotted line in the figure and is the same fourth harmonic as Δθ. The polarity is reversed. This is because Δθ45 measured in the XY45 coordinate system is out of phase by 4 × 45 ° = 180 ° with respect to Δθ. Table 1 shows the polarities for each angle range of Δθ and Δθ45.
どの角度範囲においても、角度誤差の極性が反対であることがわかる。従って、
Δθ+Δθ45≒0
となる。つまり、本発明においてXY45座標系は、XY座標系で発生する角度誤差を打ち消すような角度誤差を発生する配置となっているものである。
ここで、θとθcの平均値をθaveは、
θave=(θ+θc)/2=(θideal+Δθ+θideal+Δθ45)/2≒θideal
となり、磁気飽和により角度誤差が発生しても、高精度にXY座標系の角度を求めることができる。つまり、XY座標系で角度を算出し、かつXY45座標系で角度を算出し、複数の回転角情報θ、θcから回転磁石の回転角情報を補正(上述した例では算術平均)することで、高精度な磁場の角度測定を実現するものである。図8中一点鎖線は、θaveの残留誤差Δθaveであり、Δθ、Δθ45と比較して明らかに低減していることがわかる。
It can be seen that the angle error has the opposite polarity in any angular range. Therefore,
Δθ + Δθ45 ≒ 0
It becomes. That is, in the present invention, the XY45 coordinate system is arranged to generate an angular error that cancels the angular error generated in the XY coordinate system.
Here, θave is the average value of θ and θc,
θave = (θ + θc) / 2 = (θideal + Δθ + θideal + Δθ45) / 2≈θideal
Thus, even if an angle error occurs due to magnetic saturation, the angle of the XY coordinate system can be obtained with high accuracy. That is, by calculating the angle in the XY coordinate system, calculating the angle in the XY45 coordinate system, and correcting the rotation angle information of the rotating magnet from the plurality of rotation angle information θ and θc (arithmetic average in the above example), It realizes highly accurate magnetic field angle measurement. A one-dot chain line in FIG. 8 is a residual error Δθave of θave, which is clearly reduced as compared with Δθ and Δθ45.
次に、本実施形態の効果である磁気飽和の素早い確実な検出について説明する。
磁気飽和を起こしていない場合、
Δθ−Δθ45=0
であることは明らかである。しかし、磁気飽和を起こした場合、角度誤差の4倍波が0°となるK×45°(Kは0から7までの整数)の角度付近を除き、表1のようにΔθとΔθ45の極性は異なるので、
Δθ−Δθ45≠0となることも、これまでの説明から明らかである。従って、θとθcが算出された場合、この差分θdは、
θd=θ−θc=Δθ−Δθ45≠0
である。適当な閾値θd_limを決めておけば、
|θd|<θd_lim
という関係式(|θd|はθdの絶対値)により、|θd|がθd_limよりも大きくなれば、磁気飽和の検出が可能である。つまり、XY座標系の算出角度θのみでは検出できなかった磁気飽和が、XY45座標系の算出角度θ45を利用することで検出可能となる。
Next, the quick and reliable detection of magnetic saturation, which is an effect of this embodiment, will be described.
If magnetic saturation is not occurring,
Δθ−Δθ45 = 0
Obviously. However, when magnetic saturation occurs, the polarities of Δθ and Δθ45 are as shown in Table 1 except for the vicinity of the angle of K × 45 ° (K is an integer from 0 to 7) at which the fourth harmonic of the angle error becomes 0 °. Is different,
It is also clear from the above description that Δθ−
θd = θ−θc = Δθ−
It is. If an appropriate threshold θd_lim is determined,
| Θd | <θd_lim
According to the relational expression (| θd | is the absolute value of θd), if | θd | is larger than θd_lim, magnetic saturation can be detected. That is, magnetic saturation that cannot be detected only by the calculated angle θ of the XY coordinate system can be detected by using the calculated angle θ45 of the XY45 coordinate system.
図9は、図7に示される回転角計測装置の磁気収束板に磁気飽和点70mT以上の100mTの回転磁場を印加したときのθdのシミュレーション結果を示す図である。磁気飽和により、元々飽和による角度誤差が発生しないK×45°の角度を除き、θdが0ではないことがわかる。
図10Aは、本発明に係る回転角計測装置の実施形態1の信号処理回路を示す構成図である。図10Aの回転角計測装置は、配置Aの第1のホール素子対21(H0、H180)と第2のホール素子対22(H90、H270)と、配置Bの第3のホール素子対23(H45、H225)と第4のホール素子対24(H135、H315)と、MUX(マルチプレクサ;multiplexer)25と、X軸減算部26Xと、Y軸減算部26Yと、角度算出部27と、第1の記憶レジスタ28aと第2の記憶レジスタ28bと、回転角情報補正部29と、故障検知部30とから構成されている。故障検知部30は、減算部31と閾値比較部33と閾値メモリ32とから構成されている。
FIG. 9 is a diagram illustrating a simulation result of θd when a rotating magnetic field of 100 mT having a magnetic saturation point of 70 mT or more is applied to the magnetic focusing plate of the rotation angle measuring device shown in FIG. It can be seen that θd is not 0 except for an angle of K × 45 °, at which no angle error due to saturation originally occurs due to magnetic saturation.
FIG. 10A is a configuration diagram illustrating a signal processing circuit of the first embodiment of the rotation angle measurement device according to the present invention. 10A includes a first Hall element pair 21 (H0, H180) and a second Hall element pair 22 (H90, H270) in arrangement A, and a third
つまり、本実施形態1の回転角計測装置は、基板上に設けられた複数のホール素子H0〜H315と、この複数のホール素子H0〜H315の感磁面上に設けられた磁気収束板14とを備え、この磁気収束板14を平面視で覆うようにこの磁気収束板14に近接して配置された回転磁石の回転角を計測する回転角計測装置である。本実施形態1の回転角計測装置は、複数のホール素子H0〜H315で構成される複数のホール素子対を備えるものであり、第1の方向の磁気成分を検出する第1のホール素子対21(H0、H180)と、第1の方向と異なる方向の第2の方向の磁気成分を検出する第2のホール素子対22(H90、H270)と、第1の方向及び第2の方向とは異なる方向の第3の方向の磁気成分を検出する第3のホール素子対23(H45、H225)と、第1の方向〜第3の方向とは異なる方向の第4の方向の磁気成分を検出する第4のホール素子対24(H135、H315)とを備えている。
That is, the rotation angle measuring apparatus according to the first embodiment includes a plurality of Hall elements H0 to H315 provided on the substrate, and a magnetic converging
角度算出部27は、複数のホール素子対のうちの1つの対である第1のホール素子対21及び第2のホール素子対22の出力信号強度に基づいて、回転磁石の第1の回転角θを算出する。そして、角度算出部27は、複数のホール素子対のうちの1つの対である第3のホール素子対23及び第4のホール素子対24の出力信号強度に基づいて、回転磁石の第2の回転角θcを算出するものである。つまり、角度算出部は、複数のホール素子対の複数の対(第1のホール素子対21及び第2のホール素子対22、第3のホール素子対23及び第4のホール素子対24)の出力信号強度に基づいて、回転磁石の回転角情報を複数算出する。すなわち、上記複数の対は、第1のホール素子対21と第2のホール素子対22とで構成される1つの組(1つの対)、及び第3のホール素子対23と第4のホール素子対24とで構成される1つの組(1つの対)のことであり、複数のホール素子対のうち2つのホール素子対で構成される組が、複数の回転角情報にそれぞれ対応して複数あることを意味する。ここで、出力信号の強度とは、出力信号の電圧である。また、すなわち、ホール素子が入力磁場に応じて出力するホール起電力信号である。
Based on the output signal strengths of the first
また、減算部(差分算出部)31は、第1の回転角θと第2の回転角θcとの差分を算出するものである。また、閾値比較部33(単に比較部33とも呼ぶ)は、減算部(差分算出部)31の出力と、閾値メモリ(基準信号出力部)32が出力する基準信号とから回転角計測装置の故障を検知するものである。ここで、閾値比較部33は、磁気収束板14の磁気飽和を検知するものである。
また、回転角情報補正部29は、第1の回転角θ、第2の回転角θcから回転角情報の補正を行う。この補正は、第1の回転角θと第2の回転角θcのうち真の回転角に対して誤差が大きい方の回転角の情報に、真の回転角に対して誤差が小さい方の回転角の情報を与え、真の回転角に近い回転角情報を出力する補正である。これにより、磁気収束板の磁気飽和で決まるダイナミックレンジが広くなる。
The subtraction unit (difference calculation unit) 31 calculates a difference between the first rotation angle θ and the second rotation angle θc. Further, the threshold value comparison unit 33 (also simply referred to as the comparison unit 33) detects a failure of the rotation angle measurement device from the output of the subtraction unit (difference calculation unit) 31 and the reference signal output from the threshold value memory (reference signal output unit) 32. Is detected. Here, the
The rotation angle
図10B〜図10Dは、図10Aに示した回転角情報補正部の具体例を示す図で、図10Bは、回転角情報補正部が平均値算出部である場合、図10Cは、回転角情報補正部が加算値算出部である場合、図10Dは、回転角情報補正部が中央値算出部である場合をそれぞれ示している。
図10Bにおいて、平均値算出部29は、第1の回転角θと第2の回転角θcとから平均値θaveを算出するものである。この平均値θaveは、算術平均であるが、算術平均に限らず相乗平均や調和平均を出力するようにしてもよい。
10B to 10D are diagrams illustrating specific examples of the rotation angle information correction unit illustrated in FIG. 10A. FIG. 10B illustrates a case where the rotation angle information correction unit is an average value calculation unit, and FIG. 10C illustrates rotation angle information. When the correction unit is an addition value calculation unit, FIG. 10D shows a case where the rotation angle information correction unit is a median value calculation unit.
In FIG. 10B, the average
図10Cにおいて、加算値算出部29は、第1の回転角θと第2の回転角θcとから加算値θaddを出力する。この形態では、θaddが真の回転角の約2倍の値となっており、後段に図示しない除算器やアテネータやビットシフタを備えることで真の回転角に近い値を得ることができる。特に、θaddがディジタル信号として表現した場合、下位ビットを切り捨てて上位ビットを取り出すことで上記算術平均と同じ情報が得られる。本回転角計測装置のユーザーは、θaddを真の回転角の2倍と読み取ればよく、θaddの半分の値が真の回転角に近い値であると読み取ればよい。
In FIG. 10C, the addition
図10Dにおいて、中央値算出部29は、第1の回転角θと第2の回転角θcとから中央値θcenterを出力する。回転角情報が2つの場合は、上記算術平均と同じだが、3以上の場合は、中央値となる。この形態では、例えば、複数の回転角情報のうち1つが極端に誤差を持っている場合、つまり異常値(飛び値)である場合に、この異常値の影響を非常に小さくすることができる。
以下、全ての実施形態において、回転角情報補正部29は、平均値算出部29としたもので説明する。また、平均は、算術平均であるとする。なお、言うまでもなく、全ての実施形態において、平均値算出部29は、相乗平均や調和平均を算出するものでもよく、加算値や中央値を算出するものでもよい。
In FIG. 10D, the median
Hereinafter, in all the embodiments, the rotation angle
図10Bにおいて、配置Aの第1のホール素子対21(H0、H180)の出力と、第2のホール素子対22(H90とH270)の出力と、配置Bの第3のホール素子対23(H45、H225)の出力と、第4のホール素子対24(H135とH315)の出力がそれぞれMUX25に出力される。
MUX25は、時刻φ1において、配置Aの第1のホール素子対21(H0、H180)の出力と、第2のホール素子対22(H90とH270)の出力をそれぞれX軸減算部26XとY軸減算部26Yに出力する。X軸減算部26XとY軸減算部26Yは、それぞれ出力信号HVXとHVYを角度算出部27に出力する。
10B, the output of the first Hall element pair 21 (H0, H180) in arrangement A, the output of the second Hall element pair 22 (H90 and H270), and the third
The
角度算出部27は、時刻φ1において、XY座標系の角度θを算出し、第1の記憶レジスタ28aに出力する。そして、時刻φ2においてMUX25は、配置Bの第3のホール素子対23(H45、H225)の出力と、第4のホール素子対24(H135とH315)の出力をそれぞれX軸減算部26XとY軸減算部26Yに出力する。X軸減算部26XとY軸減算部26Yは、それぞれ出力信号HVX45とHVY45を角度算出部27に出力する。
角度算出部27は、時刻φ2において、XY45座標系の角度θ45を算出し、45°補正した角度θcを第2の記憶レジスタ28bに出力する。第1及び第2の記憶レジスタ28a、28bは、それぞれθとθcを平均値算出部29と故障検知部30へ出力する。平均値算出部29では、θとθcとからθaveを算出する。θaveにおいては、磁気飽和による角度誤差は低減されている。
The
The
故障検知部30に入力されたθとθcは、減算部31へと入力される。減算部31は、θとθcからθdを算出し、比較部(閾値比較部)33へと出力する。比較部33は、θdと閾値メモリ(基準信号出力部)32に格納されている閾値θd_lim(基準信号)とから磁気飽和が起きているか判定する。つまり、比較部33は、磁気飽和であることが検出されれば「1」を、磁気飽和でなければ「0」を出力する。つまり、故障検知部30は、角度算出部の出力と、閾値メモリの閾値θd_limとに基づいて、回転角計測装置の故障を検知する。本実施形態での故障検知は、回転磁石が磁気収束板に近づく故障を検知できるものである。言い換えれば、本実施形態は、磁気飽和が起きていると判定できるものであり、磁気飽和が起きていると判定すれば、飽和情報を出力する。
Θ and θc input to the
以上のように、磁気収束板14を利用した回転角計測装置において、磁気収束板14の磁気飽和を素早く確実に検出することができた。
なお、追加座標系としてのXY45座標系は、XY座標をGを中心に45°回転させたものとしたが、45°回転に限らず、追加座標系のためのホール素子の配置が可能な領域が確保できる0°〜90°内の、どの角度θaであっても、磁気飽和の検出が原理的に実施可能である。
追加座標系で算出した角度θtに対し、θc=θt+θaとすると、角度誤差低減の場合は、
θave=(θ+θc)/2
とすれば、角度誤差ΔθaveがΔθ、Δθtに比較して小さくなる。(Δθtは、Δθの位相が異なる波形であるため、両者の平均は元の波形に比べ小さくなる。)
As described above, in the rotation angle measuring device using the magnetic converging
The XY45 coordinate system as the additional coordinate system is obtained by rotating the XY coordinates by 45 ° around G. However, the XY45 coordinate system is not limited to the 45 ° rotation, and an area in which Hall elements for the additional coordinate system can be arranged. In principle, magnetic saturation can be detected at any angle θa within the range of 0 ° to 90 ° that can ensure.
Assuming that θc = θt + θa with respect to the angle θt calculated in the additional coordinate system,
θave = (θ + θc) / 2
Then, the angle error Δθave becomes smaller than Δθ and Δθt. (Since Δθt is a waveform with different phases of Δθ, the average of both is smaller than the original waveform.)
図11は、θa=30°とした場合に、磁気収束板に磁気飽和点以上の100mTの回転磁場を印加したときに、回転角計測装置が算出する角度に含まれる角度誤差Δθ、Δθt、Δθaveをシミュレーションした図である。図中実線がΔθ、点線がΔθt、一点鎖線がΔθaveであり、ΔθaveがΔθ、Δθtに比べ低減していることがわかる。
一方、磁気飽和の検出の場合は、
θd=θ−θc
は、磁気飽和していない場合はθd=0、飽和した場合はθd≠0であり、上記に説明した手法で磁気飽和が検出できる。
FIG. 11 shows that when θa = 30 °, an angular error Δθ, Δθt, Δθave included in an angle calculated by the rotation angle measuring device when a rotating magnetic field of 100 mT above the magnetic saturation point is applied to the magnetic focusing plate. It is the figure which simulated. In the figure, the solid line is Δθ, the dotted line is Δθt, the alternate long and short dash line is Δθave, and it can be seen that Δθave is reduced compared to Δθ and Δθt.
On the other hand, in the case of magnetic saturation detection,
θd = θ−θc
Is θd = 0 when not magnetically saturated, and θd ≠ 0 when saturated, and magnetic saturation can be detected by the method described above.
図12は、θa=30°とした場合に、磁気収束板に磁気飽和点以上の100mTの回転磁場を印加したときのθdのシミュレーション結果を示す図である。磁気飽和により、θdが0ではないことがわかる。
以上のように、θa=45°でない場合においても、上述したような効果が得られ、本発明に含まれるものである。但し、θa=45°の場合が、角度誤差の4倍波の位相が180°ずれたもの同士の減算となるので、最もθdの変動が大きく検出感度が上がり、本発明を利用するのに好適である。
FIG. 12 is a diagram illustrating a simulation result of θd when a rotating magnetic field of 100 mT above the magnetic saturation point is applied to the magnetic convergence plate when θa = 30 °. It can be seen that θd is not 0 due to magnetic saturation.
As described above, even when θa is not 45 °, the above-described effects can be obtained and included in the present invention. However, in the case of θa = 45 °, subtraction is performed between those in which the phase of the fourth harmonic wave of the angle error is shifted by 180 °. Therefore, the variation in θd is the largest and the detection sensitivity is increased, which is suitable for using the present invention. It is.
[実施形態2]
図13は、本発明に係る回転角計測装置の実施形態2のホール素子の配置を説明する図である。
磁気収束板14の円周下に30°おきに、H0、H30、H60、・・・、H330と計12個のホール素子が配置されている。第1のホール素子対121(H0、H180)、第2のホール素子対122(H90、H270)の配置を配置A’、第3のホール素子対123(H30、H210)、第4のホール素子対124(H120、H300)を配置B’、第5のホール素子対125(H60、H240)、第6のホール素子対126(H150、H330)を配置C’とする。
つまり、複数のホール素子対は、磁気収束板の円周下に30度ずつそれぞれずらして配置されている。
[Embodiment 2]
FIG. 13 is a diagram for explaining the arrangement of the Hall elements according to the second embodiment of the rotation angle measuring apparatus according to the present invention.
A total of 12 Hall elements, H0, H30, H60,..., H330, are arranged at intervals of 30 ° below the circumference of the magnetic
In other words, the plurality of Hall element pairs are arranged by being shifted by 30 degrees below the circumference of the magnetic flux concentrating plate.
この円形の磁気収束板の中心点Gは、第1のホール素子対121(H0、H180)、第3のホール素子対123(H30、H210)、第5のホール素子対125(H60、H240)、第2のホール素子対122(H90、H270)、第4のホール素子対124(H120、H300)、第6のホール素子対126(H150、H330)を結ぶ線分の中点でもある。
配置A’のH180からH0へ向かう直線上にX軸を、H270からH90に向かう直線上にY軸を形成し、同様に配置B’のH210からH30へ向かう直線上にX30軸、H300からH120へ向かう直線上にY30軸を形成し、配置C’のH240からH60へ向かう直線上にX60軸、H330からH150へ向かう直線上にY60軸を形成する。つまり、配置A’、配置B’、配置C’のホール素子によって形成される座標系をそれぞれXY座標系、XY30座標系、XY60座標系とする。XY30座標系と、XY60座標系は、それぞれXY座標系を中心点G回りに30°、60°回転させた座標系となる。
The center point G of this circular magnetic focusing plate is the first Hall element pair 121 (H0, H180), the third Hall element pair 123 (H30, H210), and the fifth Hall element pair 125 (H60, H240). This is also the midpoint of the line connecting the second Hall element pair 122 (H90, H270), the fourth Hall element pair 124 (H120, H300), and the sixth Hall element pair 126 (H150, H330).
The X axis is formed on the straight line from H180 to H0 in the arrangement A ′, the Y axis is formed on the straight line from H270 to H90, and the X30 axis is similarly formed on the straight line from H210 to H30 in the arrangement B ′, and H300 to H120. The Y30 axis is formed on the straight line going to H60, the X60 axis is formed on the straight line going from H240 to H60 in the arrangement C ′, and the Y60 axis is formed on the straight line going from H330 to H150. That is, a coordinate system formed by the Hall elements of the arrangement A ′, the arrangement B ′, and the arrangement C ′ is an XY coordinate system, an XY30 coordinate system, and an XY60 coordinate system, respectively. The XY30 coordinate system and the XY60 coordinate system are coordinate systems obtained by rotating the XY coordinate system around the center point G by 30 ° and 60 °, respectively.
つまり、複数のホール素子対は、90°/Nの整数倍の座標系の座標軸の位置にそれぞれ配置されている。この場合はN=3であり、複数のホール素子対は90°/Nの0倍、1倍、2倍の座標系の位置に配置されている。すなわち、複数のホール素子対は、磁気収束板の上に極座標が定義されたときに、極座標の原点を基準として、90°/Nの整数倍(Nは2以上の整数)の角度の座標軸の位置にそれぞれ配置されている。
それぞれの座標系において算出される角度をθ、θ30、θ60とし、磁気飽和によって発生する角度誤差はそれぞれΔθ、Δθ30、Δθ60とする。なお、算出角度に角度誤差がない時は、θ、θ30、θ60はそれぞれθideal、θ30ideal、θ60idealと表記する。
In other words, the plurality of Hall element pairs are respectively arranged at the positions of the coordinate axes of the coordinate system that is an integral multiple of 90 ° / N. In this case, N = 3, and the plurality of Hall element pairs are arranged at positions of the coordinate system of 0 times, 1 time, and 2
The angles calculated in the respective coordinate systems are θ, θ30, and θ60, and the angle errors caused by magnetic saturation are Δθ, Δθ30, and Δθ60, respectively. When there is no angle error in the calculated angle, θ, θ30, and θ60 are expressed as θideal, θ30ideal, and θ60ideal, respectively.
図14は、図13に示される回転角計測装置の磁気収束板に磁気飽和点70mT以上の100mTの回転磁場を印加したときに、磁気飽和によって発生する角度誤差Δθ、Δθ30、Δθ60をシミュレーションした図である。
図14において、実線がΔθ、点線がΔθ30、二点鎖線がΔθ60である。そして、Δθの誤差を示す波形に対し、Δθ30は120°、Δθ60は240°位相が異なる波形で誤差を発生していることがわかる。これは、XY座標系で測定したΔθが4倍波であるため、30°、60°と回転させたXY30座標系で測定したΔθ30は30°×4分位相が異なり、同様にXY60座標系で測定したΔθ60が60°×4分位相が異なることによる。従って、
Δθ+Δθ30+Δθ60≒0
という関係になる。
θ=θideal+Δθ
θ30=θ30ideal+Δθ30=θideal−30°+Δθ30
θ60=θ60ideal+Δθ60=θideal−60°+Δθ60
であるから、ここで、θ、θ30+30°(≡θc)、θ60+60°(≡θc’)の平均値θaveは、
θave=(θ+θc+θc’)/3=θideal+(Δθ+Δθ30+Δθ60)/3≒θideal
となり、磁気飽和により角度誤差が発生しても、高精度にXY座標系の角度を求めることができる。つまり、XY座標系で角度を算出し、そしてXY30、XY60座標系でも角度を算出することで、高精度な磁場の角度測定を実現するものである。図14中の一点鎖線は、θaveの残留誤差Δθaveであり、Δθ、Δθ30、Δθ60と比較して明らかに低減していることがわかる。
FIG. 14 is a diagram simulating angle errors Δθ, Δθ30, and Δθ60 generated by magnetic saturation when a rotating magnetic field of 100 mT of a magnetic saturation point of 70 mT or more is applied to the magnetic convergence plate of the rotation angle measuring device shown in FIG. It is.
In FIG. 14, the solid line is Δθ, the dotted line is Δθ30, and the two-dot chain line is Δθ60. It can be seen that Δθ30 is 120 ° and Δθ60 is 240 ° out of phase with respect to the waveform showing the error of Δθ. This is because Δθ measured in the XY coordinate system is a quadruple wave, so Δθ30 measured in the XY30 coordinate system rotated by 30 ° and 60 ° is different in phase by 30 ° × 4 minutes, and similarly in the XY60 coordinate system. This is because the measured Δθ60 is different in phase by 60 ° × 4 minutes. Therefore,
Δθ + Δθ30 + Δθ60≈0
It becomes the relationship.
θ = θideal + Δθ
θ30 = θ30 ideal + Δθ30 = θideal-30 ° + Δθ30
θ60 = θ60 ideal + Δθ60 = θideal−60 ° + Δθ60
Therefore, here, the average value θave of θ, θ30 + 30 ° (≡θc), θ60 + 60 ° (≡θc ′) is
θave = (θ + θc + θc ′) / 3 = θideal + (Δθ + Δθ30 + Δθ60) / 3≈θideal
Thus, even if an angle error occurs due to magnetic saturation, the angle of the XY coordinate system can be obtained with high accuracy. That is, by calculating the angle in the XY coordinate system and calculating the angle also in the XY30 and XY60 coordinate systems, highly accurate magnetic field angle measurement is realized. The one-dot chain line in FIG. 14 is the residual error Δθave of θave, which is clearly reduced as compared with Δθ, Δθ30, and Δθ60.
次に、本実施形態の効果である磁気飽和の素早い確実な検出について説明する。
上述した実施形態1と同様に磁気飽和が起きていない場合、
Δθ−Δ30=0、Δθ30−Δ60=0
であり、磁気飽和が起きた場合、それぞれ角度誤差が等しくなる角度を除き、
Δθ−Δ30≠0、Δθ30−Δ60≠0
である。適当な閾値θd_limを決めておけば、θd=θ−θc、θd’=θc−θc’として、
|θd|<θd_lim
|θd’|<θd_lim
という関係式により、磁気収束板14の磁気飽和が検出できることになる。
Next, the quick and reliable detection of magnetic saturation, which is an effect of this embodiment, will be described.
When magnetic saturation does not occur as in the first embodiment,
Δθ−Δ30 = 0, Δθ30−Δ60 = 0
And when magnetic saturation occurs, except for the angles where the angle error is equal,
Δθ−Δ30 ≠ 0, Δθ30−
It is. If an appropriate threshold θd_lim is determined, θd = θ−θc, θd ′ = θc−θc ′,
| Θd | <θd_lim
| Θd '| <θd_lim
Thus, the magnetic saturation of the magnetic focusing
図15は、図13に示される回転角計測装置の磁気収束板に磁気飽和点70mT以上の100mTの回転磁場を印加したときに、θd及びθd’のシミュレーション結果を示す図である。図中実線がθd、点線がθd’である。回転磁場の角度に対して、θd、θd’のどちらかが必ず0ではないことがわかる。このように座標系を3つ利用することで、座標系2つの場合に比べて確実に磁気飽和を検出できる。 FIG. 15 is a diagram illustrating simulation results of θd and θd ′ when a rotating magnetic field of 100 mT having a magnetic saturation point of 70 mT or more is applied to the magnetic focusing plate of the rotation angle measuring device shown in FIG. In the figure, the solid line is θd, and the dotted line is θd ′. It can be seen that either θd or θd ′ is not always 0 with respect to the angle of the rotating magnetic field. By using three coordinate systems in this way, magnetic saturation can be detected more reliably than in the case of two coordinate systems.
図16は、本発明に係る回転角計測装置の実施形態2の信号処理回路を示す構成図である。図16の回転角計測装置は、配置A’、配置B’、配置C’のグループのホール素子121〜126と、MUX225と、X軸減算部226Xと、Y軸減算部226Yと、角度算出部227と、第1の記憶レジスタ228aと、第2の記憶レジスタ228bと、第3の記憶レジスタ228cと、平均算出部229と、故障検知部230とから構成されている。故障検知部230は、第1の減算部231aと、第1の閾値比較部233aと、第2の減算部231bと、第2の閾値比較部233bと、閾値メモリ232と、論理和部234とから構成されている。
つまり、本実施形態2の回転角計測装置は、基板上に設けられた複数のホール素子H0〜H330と、この複数のホール素子H0〜H330の感磁面上に設けられた磁気収束板14とを備え、この磁気収束板14を平面視で覆うようにこの磁気収束板14に近接して配置された回転磁石の回転角を計測する回転角計測装置である。
FIG. 16 is a configuration diagram illustrating a signal processing circuit according to the second embodiment of the rotation angle measurement apparatus according to the present invention. The rotation angle measuring device of FIG. 16 includes
That is, the rotation angle measuring apparatus according to the second embodiment includes a plurality of Hall elements H0 to H330 provided on the substrate, and a
本実施形態2の回転角計測装置は、複数のホール素子H0〜H330で構成される複数のホール素子対を備えるものであり、第1の方向の磁気成分を検出する第1のホール素子対121(H0、H180)と、第1の方向と異なる方向の第2の方向の磁気成分を検出する第2のホール素子対122(H90、H270)と、第1の方向及び第2の方向とは異なる方向の第3の方向の磁気成分を検出する第3のホール素子対123(H30、H210)と、第1の方向〜第3の方向とは異なる方向の第4の方向の磁気成分を検出する第4のホール素子対124(H120、H300)と、第1の方向〜第4の方向とは異なる方向の第5の方向の磁気成分を検出する第5のホール素子対125(H60、H240)と、第1の方向〜第5の方向とは異なる方向の第6の方向の磁気成分を検出する第6のホール素子対126(H150、H330)とを備えている。
The rotation angle measuring apparatus according to the second embodiment includes a plurality of Hall element pairs including a plurality of Hall elements H0 to H330, and detects a magnetic component in the
角度算出部227は、第1のホール素子対121及び第2のホール素子対122の出力信号強度に基づいて回転磁石の第1の回転角θを算出するとともに、第3のホール素子対123及び第4のホール素子対124の出力信号強度に基づいて回転磁石の第2の回転角θcを算出し、さらに、第5のホール素子対125及び第6のホール素子対126の出力信号強度に基づいて回転磁石の第3の回転角θc’を算出するものである。つまり、角度算出部227は、複数のホール素子対の複数の対(第1のホール素子対121及び第2のホール素子対122、第3のホール素子対123及び第4のホール素子対124、第5のホール素子対125及び第6のホール素子対126)の出力信号強度に基づいて、回転磁石の回転角情報を複数算出するものである。すなわち、上記複数の対は、第1のホール素子対121と第2のホール素子対122とで構成される1つの組(1つの対)、第3のホール素子対123と第4のホール素子対124とで構成される1つの組(1つの対)、及び第5のホール素子対125と第6のホール素子対126とで構成される1つの組(1つの対)のことであり、複数のホール素子対のうち2つのホール素子対で構成される組が、複数の回転角情報(ここでは3つの回転角情報)にそれぞれ対応して複数(ここでは3つの組)あることを意味する。ここで、出力信号強度は、出力信号の電圧である。また、すなわち、ホール素子が入力磁場に応じて出力するホール起電力信号である。
The
また、故障検知部230は、第1の回転角θと第2の回転角θcとの差分を算出する第1の減算部(差分算出部)231aと、第2の回転角θcと第3の回転角θc’との差分を算出する第2の減算部(差分算出部)231bとを備えている。
また、第1の減算部(差分算出部)231aの出力と、閾値メモリ(基準信号出力部)232が出力する基準信号とから回転角計測装置の故障を検知する第1の閾値比較部233aと、第2の減算部(差分算出部)231bの出力と、閾値メモリ(基準信号出力部)232が出力する基準信号とから回転角計測装置の故障を検知する第2の閾値比較部233bとを備えている。
In addition, the
In addition, a first threshold value comparison unit 233a that detects a failure of the rotation angle measurement device from the output of the first subtraction unit (difference calculation unit) 231a and the reference signal output from the threshold value memory (reference signal output unit) 232; A second threshold
また、第1の閾値比較部233aと第2の閾値比較部233bとは、磁気収束板14の磁気飽和を検知するものである。また、第1の回転角θと第2の回転角θcと第3の回転角θc’とから平均値θaveを算出する平均値算出部229を備えている。
図16において、配置A’の第1のホール素子対121(H0、H180)の出力と、第2のホール素子対122(H90とH270)の出力と、配置B’の第3のホール素子対123(H30、H210)の出力と、第4のホール素子対124(H120とH300)の出力と、配置C’の第5のホール素子対125(H60、H240)の出力と、第6のホール素子対126(H150とH330)の出力と、がそれぞれMUX225に出力される。MUX225は、時刻φ1において、配置A’の第1のホール素子対121(H0、H180)の出力と、第2のホール素子対122(H90とH270)の出力をそれぞれX軸減算部226XとY軸減算部226Yに出力する。時刻φ2において、配置B’の第3のホール素子対123(H30、H210)の出力と、第4のホール素子対124(H120とH300)の出力をそれぞれX軸減算部226XとY軸減算部226Yに出力する。時刻φ3において、配置C’の第5のホール素子対125(H60、H240)の出力と、第6のホール素子対126(H150とH330)の出力をそれぞれX軸減算部226XとY軸減算部226Yに出力する。
The first threshold value comparison unit 233a and the second threshold
In FIG. 16, the output of the first Hall element pair 121 (H0, H180) in arrangement A ′, the output of the second Hall element pair 122 (H90 and H270), and the third Hall element pair in arrangement B ′. 123 (H30, H210), the output of the fourth Hall element pair 124 (H120 and H300), the output of the fifth Hall element pair 125 (H60, H240) in arrangement C ′, and the sixth Hall The outputs of the element pair 126 (H150 and H330) are output to the
そして、X軸及びY軸減算部226X、226Yの出力は、角度算出部227に入力される。角度算出部227においては、時刻φ1においてはXY座標系の角度θを、時刻φ2においてはXY30座標系の角度θ30を補正したθcを、時刻φ3においてはXY60座標系の角度θ60を補正したθc’を算出し、それぞれ第1の記憶レジスタ228a、第2の記憶レジスタ228b、第3の記憶レジスタ228cへと出力する。第1の記憶レジスタ228a、第2の記憶レジスタ228b、第3の記憶レジスタ228cは、それぞれ角度θ、θc、θc’を平均算出部229と、故障検知部230に出力する。平均値算出部229では、θ、θc、θc’とからθaveを算出する。θaveにおいては、磁気飽和による角度誤差は低減されている。
The outputs of the X-axis and Y-
一方、故障検知部230に入力されたθ、θcは第1の減算部231aに、θc、θc’は第2の減算部231bに入力される。第1の減算部231a、第2の減算部231bはそれぞれ、θd、θd’を第1の閾値比較部233a、第2の閾値比較部233bに出力する。第1の閾値比較部233a、第2の閾値比較部233bはそれぞれ閾値メモリ(基準信号出力部)232に格納されたθd_limと第1及び第2の減算部231a、231bの出力を比較し、磁気飽和であることが検出されれば「1」を、磁気飽和でなければ「0」を論理和部234に出力する。論理和部234は、第1及び第2の閾値比較部233a、233bからの出力の論理和を飽和情報として出力する。従って、θd、θd’のどちらかがθd_limよりも大きければ、飽和を検出できる。
On the other hand, θ and θc input to the
なお、上記の例では、θd、θd’に対してθd_limを共通の基準信号としたが、θdに対して第1の基準信号としてθd_limを、θd’に対して第2の基準信号としてθd’_limを用意してもよい。つまり上記の例では第1の基準信号と第2の基準信号は同じとしたものである。
以上、実施形態の説明からわかるように、磁気収束板下のあるホール素子グループによって形成されるXY座標系において、磁気飽和によって発生する角度誤差が4倍波という周期的なものであり、これと異なる位相を持つ角度誤差の4倍波を、別のホール素子グループによって形成される別のXY座標系において発生させ、その位相差(角度差)を減算することで利用し、磁気飽和の検出を素早く確実に行うことができた。
In the above example, θd_lim is a common reference signal for θd and θd ′, but θd_lim is the first reference signal for θd, and θd ′ is the second reference signal for θd ′. _Lim may be prepared. That is, in the above example, the first reference signal and the second reference signal are the same.
As described above, as can be understood from the description of the embodiment, in the XY coordinate system formed by the Hall element group under the magnetic convergence plate, the angular error generated by the magnetic saturation is a periodic wave of the fourth harmonic, Magnetic saturation detection is performed by generating a quadrature wave of an angular error having a different phase in another XY coordinate system formed by another Hall element group and subtracting the phase difference (angle difference). I was able to do it quickly and reliably.
本発明は、基準となっているXY座標系の磁気飽和により発生する角度誤差の波形に対して異なる位相の角度誤差の波形を生じさせる座標系を用意すればよく、実施形態1、2に記載の座標系を2個、3個の場合に限るものではない。
また、本発明の実施形態の説明において、簡便のため各座標系を構成しているホール素子の数は4個、各座標軸の成分ではホール素子の数は2個で説明したが、座標軸を等価的に表せる場合はホール素子の数はその限りではない。例えば、実施形態1において、XY座標系、XY45座標系において、各軸を2個のホール素子としたが、これを4個としても良い。
In the present invention, a coordinate system that generates an angle error waveform having a different phase with respect to an angle error waveform generated by magnetic saturation in the XY coordinate system serving as a reference may be prepared. The coordinate system is not limited to two or three.
In the description of the embodiment of the present invention, for the sake of simplicity, the number of Hall elements constituting each coordinate system is four and the number of Hall elements is two for each coordinate axis component. However, the coordinate axes are equivalent. However, the number of Hall elements is not limited to this. For example, in the first embodiment, in each of the XY coordinate system and the XY45 coordinate system, each axis is set to two Hall elements. However, the number may be four.
図17は、図7に示した実施形態1の変更例を示す図で、磁気収束板の円周下のホール素子を計16個とした場合のホール素子の配置を示す図である。つまり、複数のホール素子対は、磁気収束板の上に極座標が定義されたときに、極座標の原点を基準として、90°/Nの整数倍の角度の座標軸を挟んで2つのホール素子対が配置されている。ここでは、N=2であり、複数のホール素子は、90°/Nの0倍と1倍の座標系の座標軸を挟んで一対のホール素子が配置されている。 図17において、磁気収束板の円周下の反時計回りに、H0_A、H0_B、H45_A、H45_B、H90_A、H90_B、H135_A、H135_B、H180_A、H180_B、H225_A、H225_B、H270_A、H270_B、H315_A、H315_Bの順でホール素子が並べられている。 FIG. 17 is a diagram illustrating a modification of the first embodiment illustrated in FIG. 7, and is a diagram illustrating the arrangement of the Hall elements when the total number of Hall elements under the circumference of the magnetic flux concentrating plate is 16. In other words, when a plurality of Hall element pairs are defined on the magnetic converging plate, two Hall element pairs are sandwiched with a coordinate axis having an angle that is an integer multiple of 90 ° / N with respect to the origin of the polar coordinates. Has been placed. Here, N = 2, and a plurality of Hall elements are arranged with a pair of Hall elements sandwiching the coordinate axes of the coordinate system of 0 times and 1 time of 90 ° / N. In FIG. 17, in the counterclockwise direction below the circumference of the magnetic focusing plate, H0_A, H0_B, H45_A, H45_B, H90_A, H90_B, H135_A, H135_B, H180_A, H180_B, H225_A, H225_B, H270_A, H270_B, H315_B, H315_B, H315_A, Hall elements are lined up.
各ホール素子名の数字がX軸からの角度を表し、添え字のAはその角度からの偏差−δ(度)を、Bは偏差+δ(度)を表す(0°<δ<22.5°)。つまり、H45_AはX軸から角度45−δ度、H45_BはX軸から角度45+δ度である。そして、H180_AとH180_Bの中点からH0_AとH0_Bの中点を通る直線上にX軸を、H270_AとH270_Bの中点からH90_AとH90_Bの中点を通る直線上にY軸を、H225_AとH225_Bの中点からH45_AとH45_Bの中点を通る直線上にX45軸を、H315_AとH315_Bの中点からH135_AとH135_Bの中点を通る直線上にY45軸を形成すると、実施形態1と同様に、XY座標系と、XY45座標系を形成できる。 The number of each Hall element name represents an angle from the X axis, the subscript A represents a deviation −δ (degrees) from the angle, and B represents the deviation + δ (degrees) (0 ° <δ <22.5). °). That is, H45_A has an angle of 45-δ degrees from the X axis, and H45_B has an angle of 45 + δ degrees from the X axis. Then, the X axis is on the straight line passing through the midpoint of H0_A and H0_B from the midpoint of H180_A and H180_B, the Y axis is on the straight line passing through the midpoint of H90_A and H270_B, and H225_A and H225_B When the X45 axis is formed on the straight line passing through the midpoint of H45_A and H45_B from the midpoint, and the Y45 axis is formed on the straight line passing through the midpoint of H135_A and H135_B from the midpoint of H315_A and H315_B, as in the first embodiment, XY A coordinate system and an XY45 coordinate system can be formed.
つまり、第1Aのホール素子対21A(H0_A、H180_A)、第1Bのホール素子対21B(H0_B、H180_B)が0°の座標軸を挟んで配置されている。第3Aのホール素子対23A(H45_A、H225_A)、第3Bのホール素子対23B(H45_B、H225_B)が45°の座標軸を挟んで配置されている。第2Aのホール素子対22A(H90_A、H270_A)、第2Bのホール素子対22B(H90_B、H270_B)が90°の座標軸を挟んで配置されている。第4Aのホール素子対24A(H135_A、H315_A)、第4Bのホール素子対25B(H135_B、H315_B)が90°の座標軸を挟んで配置されている。 That is, the 1A Hall element pair 21A (H0_A, H180_A) and the 1B Hall element pair 21B (H0_B, H180_B) are arranged with the coordinate axis of 0 ° therebetween. The 3A Hall element pair 23A (H45_A, H225_A) and the 3B Hall element pair 23B (H45_B, H225_B) are arranged across a 45 ° coordinate axis. The 2A Hall element pair 22A (H90_A, H270_A) and the 2B Hall element pair 22B (H90_B, H270_B) are arranged with a 90 ° coordinate axis in between. The 4A Hall element pair 24A (H135_A, H315_A) and the 4B Hall element pair 25B (H135_B, H315_B) are arranged with a 90 ° coordinate axis in between.
つまり、H0_AとH0_Bの出力和と、H180_AとH180_Bの出力和の差分が回転磁場のX成分(HVX)となり、H90_AとH90_Bの出力和と、H270_AとH270_Bの出力和の差分がY成分(HVY)となり、H45_AとH45_Bの出力和と、H225_AとH225_Bの出力和の差分がX45成分(HVX45)となり、H135_AとH135_Bの出力和と、H315_AとH315_Bの出力和の差分がY45成分(HVY45)となる。このような2個以上のホール素子によって各軸成分を演算する手法ついては、上述した特許文献6に記載されている。
That is, the difference between the output sum of H0_A and H0_B and the output sum of H180_A and H180_B becomes the X component (HVX) of the rotating magnetic field, and the difference between the output sum of H90_A and H90_B and the output sum of H270_A and H270_B is the Y component (HVY). ), The difference between the output sum of H45_A and H45_B and the output sum of H225_A and H225_B becomes the X45 component (HVX45), the difference between the output sum of H135_A and H135_B, and the difference of the output sum of H315_A and H315_B is the Y45 component (HVY45) Become. A method of calculating each axis component by using two or more Hall elements is described in
つまり、複数のホール素子対の複数の対は、第1A、第1B、第2A、第2Bで形成される1つの組(4つの対)と第3A、第3B、第4A、第4Bで形成される1つの組(4つの対)であり、複数のホール素子対のうち4つのホール素子対で構成される組が、複数の回転角情報にそれぞれ対応して複数あることを意味する。
このようにすることで、実施形態1の座標軸X、Y、X45、Y45の成分をそれぞれ4つのホール素子で等価的に構成することができ、本発明の実施が可能である。
また、同様に、実施形態2の各座標軸の成分もそれぞれ4つのホール素子で等価的に構成することができ、本発明の実施が可能である。
これまでの各実施形態においては、配置Aのホール素子から算出した第1の回転角θと配置Bのホール素子から算出した第2の回転角θcの差分θdによって、磁気飽和を検出する説明を行った。これまでの各実施形態の構成に角度振幅算出部を追加することで、さらに高精度に磁気飽和の検出が可能となるので以下にそれを説明する。
In other words, a plurality of pairs of the plurality of Hall element pairs are formed by one set (four pairs) formed by 1A, 1B, 2A, and 2B and 3A, 3B, 4A, and 4B. This means that there are a plurality of pairs of four Hall element pairs corresponding to a plurality of pieces of rotation angle information.
By doing so, the components of the coordinate axes X, Y, X45, and Y45 of
Similarly, each coordinate axis component of the second embodiment can be equivalently constituted by four Hall elements, and the present invention can be implemented.
In each of the embodiments described so far, the description of detecting magnetic saturation based on the difference θd between the first rotation angle θ calculated from the Hall element of the arrangement A and the second rotation angle θc calculated from the Hall element of the arrangement B is described. went. By adding an angle amplitude calculation unit to the configuration of each of the embodiments so far, magnetic saturation can be detected with higher accuracy, which will be described below.
[実施形態3]
図18は、本発明に係る回転角計測装置の実施形態3の信号処理回路を示す構成図である。なお、磁気収束板とホール素子の配置は、上述した実施形態1の図7と同じである。
図18に示した回転角計測装置は、配置Aの第1のホール素子対21(H0、H180)と第2のホール素子対22(H90、H270)と、配置Bの第3のホール素子対23(H45、H225)と第4のホール素子対24(H135、H315)と、MUX25と、X軸減算部26Xと、Y軸減算部26Yと、角度振幅算出部(角度算出部41と振幅算出部42)40と、第1の記憶レジスタ28aと第2の記憶レジスタ28bと、第3の記憶レジスタ28cと第4の記憶レジスタ28dと、平均値算出部29と、故障検知部30とから構成されている。
[Embodiment 3]
FIG. 18 is a configuration diagram showing a signal processing circuit of the third embodiment of the rotation angle measuring apparatus according to the present invention. The arrangement of the magnetic flux concentrating plate and the Hall element is the same as in FIG. 7 of the first embodiment described above.
The rotation angle measuring device shown in FIG. 18 includes a first Hall element pair 21 (H0, H180) and a second Hall element pair 22 (H90, H270) in arrangement A, and a third Hall element pair in arrangement B. 23 (H45, H225), fourth Hall element pair 24 (H135, H315), MUX25,
つまり、本実施形態3の回転角計測装置は、基板上に設けられた複数のホール素子H0〜H315と、この複数のホール素子H0〜H315の感磁面上に設けられた磁気収束板14とを備え、この磁気収束板14を平面視で覆うようにこの磁気収束板14に近接して配置された回転磁石の回転角を計測する回転角計測装置である。
第1の方向の磁気成分を検出する第1のホール素子対21(H0、H180)と、第1の方向と異なる方向の第2の方向の磁気成分を検出する第2のホール素子対22(H90、H270)と、第1の方向及び第2の方向とは異なる方向の第3の方向の磁気成分を検出する第3のホール素子対23(H45、H225)と、第1の方向〜第3の方向とは異なる方向の第4の方向の磁気成分を検出する第4のホール素子対24(H135、H315)とを備えている。
That is, the rotation angle measuring apparatus according to the third embodiment includes a plurality of Hall elements H0 to H315 provided on the substrate, and a
A first Hall element pair 21 (H0, H180) for detecting a magnetic component in the first direction and a second Hall element pair 22 (for detecting a magnetic component in a second direction different from the first direction) H90, H270), a third Hall element pair 23 (H45, H225) for detecting a magnetic component in a third direction different from the first direction and the second direction, and the first direction to the second direction. And a fourth Hall element pair 24 (H135, H315) that detects a magnetic component in a fourth direction that is different from the third direction.
角度振幅算出部40は、角度算出部41と振幅算出部42とから構成されている。
角度算出部41は、第1のホール素子対21及び第2のホール素子対22の出力信号強度に基づいて回転磁石の第1の回転角θを算出するとともに、第3のホール素子対23及び第4のホール素子対24の出力信号強度に基づいて前記回転磁石の第2の回転角θcを算出するものである。つまり、角度算出部は、複数のホール素子対の複数の対(第1のホール素子対21及び第2のホール素子対22、第3のホール素子対23及び第4のホール素子対24)の出力信号強度に基づいて、回転磁石の回転角情報を複数算出する。すなわち、上記複数の対は、第1のホール素子対21と第2のホール素子対22とで構成される1つの組(1つの対)、及び第3のホール素子対23と第4のホール素子対24とで構成される1つの組(1つの対)のことであり、複数のホール素子対のうち2つのホール素子対で構成される組が、複数の回転角情報にそれぞれ対応して複数あることを意味する。ここで、出力信号強度は、出力信号の電圧である。また、すなわち、ホール素子が入力磁場に応じて出力するホール起電力信号である。
The angle
The
振幅算出部42は、第1のホール素子対21及び第2のホール素子対22の出力信号強度に基づいて回転磁石からの磁場強度を表す第1の振幅値Mを算出するとともに、第3のホール素子対23及び第4のホール素子対24の出力信号強度に基づいて回転磁石からの磁場強度を表す第2の振幅値Mcを算出するものである。つまり、振幅算出部42は、複数の回転角情報にそれぞれ対応した複数の対(第1のホール素子対21及び第2のホール素子対22、第3のホール素子対23及び第4のホール素子対24)の出力信号に基づく複数の振幅情報を算出する。
また、故障検知部30は、第1、第2の回転角度θ、θcと、さらに第1、第2の振幅値M、Mcに基づいて、回転角計測装置の故障を検知し、故障情報を出力するものである。また、平均値算出部29は、第1の回転角θと第2の回転角θcとから平均値θaveを算出するものである。
The
Further, the
図18に示した回転角計測装置は、配置Aの第1のホール素子対21(H0、H180)の出力と、第2のホール素子対22(H90とH270)の出力と、配置Bの第3のホール素子対23(H45、H225)の出力と、第4のホール素子対24(H135とH315)の出力がそれぞれMUX25に出力される。
MUX25は、時刻φ1において、配置Aの第1のホール素子対21(H0、H180)の出力と、第2のホール素子対22(H90とH270)の出力をそれぞれX軸減算部26XとY軸減算部26Yに出力する。X軸減算部26XとY軸減算部26Yは、それぞれ出力信号HVXとHVYを角度振幅算出部40の角度算出部41と振幅算出部42に出力する。
The rotation angle measuring apparatus shown in FIG. 18 outputs the output of the first Hall element pair 21 (H0, H180) of the arrangement A, the output of the second Hall element pair 22 (H90 and H270), and the output of the arrangement B. The output of the third Hall element pair 23 (H45, H225) and the output of the fourth Hall element pair 24 (H135 and H315) are output to the
The
角度算出部41は、時刻φ1において、XY座標系の角度θを算出し、第1の記憶レジスタに出力する。
振幅算出部42は、時刻φ1において、例えば以下の式
M=sqrt(HVX2+HVY2)
に従い、磁場強度を表す第1の振幅値Mを算出し、第3の記憶レジスタに出力する。なお、sqrt(X)はXの平方根を算出する関数である。また、磁気飽和をしていない場合、M=VBとなることは明らかであり、HVX、HVYの信号振幅、すなわち、回転磁石からの磁場強度を表す信号振幅であることは、明らかである。
そして、時刻φ2においてMUXは、配置Bの第3のホール素子対23(H45、H225)の出力と、第4のホール素子対24(H135とH315)の出力をそれぞれX軸減算部26XとY軸減算部26Yに出力する。X軸減算部26XとY軸減算部26Yは、それぞれ出力信号HVX45とHVY45を角度振幅算出部40の角度算出部41と振幅算出部42に出力する。
The
At time φ1, the
Accordingly, the first amplitude value M representing the magnetic field strength is calculated and output to the third storage register. Note that sqrt (X) is a function for calculating the square root of X. Also, if not magnetic saturation, it is clear that the M = V B, HVX, signal amplitude HVY, i.e., it is a signal amplitude representative of the field strength from the rotating magnet is apparent.
At time φ2, the MUX outputs the outputs of the third Hall element pair 23 (H45, H225) and the fourth Hall element pair 24 (H135 and H315) of the arrangement B to the
角度算出部41は、時刻φ2において、XY45座標系の角度θ45を算出し、45°補正した角度θcを第2の記憶レジスタに出力する。
振幅算出部42は、時刻φ2において、例えば以下の式
Mc=sqrt(HVX452+HVY452)
に従い、磁場強度を表す第2の振幅値Mcを算出し、第4の記憶レジスタに出力する。なお、先ほどと同様に磁気飽和をしていない場合、Mc=VBとなることは明らかであり、HVX45、HVY45の信号振幅、すなわち、回転磁石からの磁場強度を表す信号振幅であることは、明らかである。
第1及び第2の記憶レジスタ28a、28bは、それぞれθとθcを平均値算出部29と故障検知部30へ出力する。第3及び第4の記憶レジスタ28c、28dは、それぞれMとMcを故障検知部30へ出力する。
平均値算出部29では、θとθcとからθaveを算出する。θaveにおいては、磁気飽和による角度誤差は低減されている。故障検知部30では、θとθcとMとMcとから故障を検知し、故障情報を出力する。
The
At time φ2, the
Then, the second amplitude value Mc representing the magnetic field strength is calculated and output to the fourth storage register. Incidentally, if not the same magnetic saturation before, it is clear that the Mc = V B, HVX45, HVY45 signal amplitude, i.e., it is a signal amplitude representative of the field strength from the rotating magnet, it is obvious.
The first and second storage registers 28a and 28b output θ and θc to the average
The average
図19は、図18に示す故障検知部の具体例を示した回路構成図である。
図19において、故障検知部30は、第1の減算部31aと、第1の比較部33aと、第1の閾値メモリ(第1の基準信号出力部)32aと、第2の減算部31bと、第2の比較部33bと、第2の閾値メモリ(第2の基準信号出力部)32bと、論理和部(故障組み合わせ判定部)34とから構成されている。
第1の減算部31aは、第1の回転角θと第2の回転角θcからθdを算出し、第1の比較部33aへと出力する。第1の比較部33aは、θdと第1の閾値メモリ(に格納されている閾値)θd_limとから故障を検知し、例えば、故障の場合は「1」を正常の場合は「0」となる第1の故障判定信号を、論理和部34へと出力する。
FIG. 19 is a circuit configuration diagram showing a specific example of the failure detection unit shown in FIG.
19, the
The
第2の減算部31bは、第1の振幅値Mと第2の振幅値Mcから、
Md=M−Mc
で表される差分値Mdを算出し、第2の比較部33bへと出力する。第2の比較部33bは、Mdと第2の閾値メモリ(に格納されている閾値)Md_limとから故障を検知し、例えば、故障の場合は「1」を正常の場合は「0」となる第2の故障判定信号を、論理和部34へと出力する。
論理和部34は、第1の比較部33aと第2の比較部33bとからの第1及び第2の故障判定信号を受け故障情報を出力する。つまり、論理和部34は、第1及び第2の故障判定信号の少なくとも一方が故障の場合「1」を出力し、どちらも正常の場合「0」を出力する。
From the first amplitude value M and the second amplitude value Mc, the
Md = M−Mc
Is calculated and output to the
The
図20は、図18に示される回転角計測装置の磁気収束板に対し、磁気飽和前における、配置Aのホール素子の出力から算出した振幅値M(実線)と配置Bのホール素子の出力から算出した振幅値Mc(点線)と、磁気飽和後における、振幅値M(一点鎖線)と振幅値Mc(二点鎖線)と、が入力磁場の回転に対し、どのように変化するかを表した図である。
磁気飽和前のMとMcに差は見られないが、磁気飽和後のMとMcはどちらもK×45°(Kは0から7までの整数)の角度で正又は負のピークを持って振動し、互いの位相が180°異なる4倍波となっていることが分かる。そして、その振動の最も低い値が、磁気飽和前のMとMcの近くにあることが分かる。
従って、これまで磁場の回転角度によっては磁気飽和が起きているかどうかは一方の振幅値M(又はMc)のみを観測することで正確に判断することは難しかった。例えば振幅Mに対し、図20における閾値M_limを磁気飽和点とするようにしても、入力磁場が45度付近にあった時に、MはM_limよりも低いため、すぐに磁気飽和が起きていることを正確に判定することが難しかった。
FIG. 20 shows the amplitude value M (solid line) calculated from the output of the Hall element in the arrangement A and the output of the Hall element in the arrangement B before the magnetic saturation with respect to the magnetic convergence plate of the rotation angle measuring device shown in FIG. It shows how the calculated amplitude value Mc (dotted line), amplitude value M (one-dot chain line) and amplitude value Mc (two-dot chain line) after magnetic saturation change with respect to the rotation of the input magnetic field. FIG.
Although there is no difference between M and Mc before magnetic saturation, both M and Mc after magnetic saturation have positive or negative peaks at an angle of K × 45 ° (K is an integer from 0 to 7). It can be seen that they are oscillating and are quadruples whose phases are 180 ° different from each other. And it turns out that the lowest value of the vibration exists in the vicinity of M and Mc before magnetic saturation.
Therefore, it has been difficult to accurately determine whether or not magnetic saturation occurs depending on the rotation angle of the magnetic field by observing only one amplitude value M (or Mc). For example, even if the threshold value M_lim in FIG. 20 is set as the magnetic saturation point with respect to the amplitude M, when the input magnetic field is near 45 degrees, M is lower than M_lim, so that magnetic saturation occurs immediately. It was difficult to judge accurately.
図21は、図18に示される回転角計測装置の磁気収束板に対し、磁気飽和点以上の回転磁場を印加したときのθd及びMdのシミュレーション結果を示す図である。横軸は磁場の回転角度、縦軸はθd、Mdを表す。θdは実線で、Mdは破線で描かれている。
上述した第1の実施形態と同様に、磁気飽和により4倍波となっており、θdはK×45度の角度を除き、θdが0ではない。θdの正のピークは67.5+90×L度(Lは0〜3までの整数)。θdの負のピークは22.5+90×L度となっている。
Mdはθdと同じ4倍波であるが、θdと異なり、22.5+K×45度の角度を除いた角度で、Mdが0でなく、θdに対し位相が90度進んだ形となっている。Mdの正のピークは90×L度であり、負のピークは45+90×L度である。それゆえ、θdが0であるところで、Mdは0にはならない。
FIG. 21 is a diagram illustrating a simulation result of θd and Md when a rotating magnetic field equal to or higher than the magnetic saturation point is applied to the magnetic convergence plate of the rotation angle measuring device illustrated in FIG. 18. The horizontal axis represents the rotation angle of the magnetic field, and the vertical axis represents θd and Md. θd is drawn with a solid line, and Md is drawn with a broken line.
Similar to the first embodiment described above, it is a fourth harmonic due to magnetic saturation, and θd is not 0 except for an angle of K × 45 degrees. The positive peak of θd is 67.5 + 90 × L degrees (L is an integer from 0 to 3). The negative peak of θd is 22.5 + 90 × L degrees.
Md is the same fourth harmonic as θd, but unlike θd, Md is not 0 and the phase is advanced by 90 degrees with respect to θd, except for an angle of 22.5 + K × 45 degrees. . The positive peak for Md is 90 × L degrees and the negative peak is 45 + 90 × L degrees. Therefore, where θd is 0, Md does not become 0.
磁気飽和が起きていなければ、XY座標系でもXY45座標系でもホール素子から観測する磁場の強度は変わらない。つまり、M=Mcである。そのためMdは0である。しかし、磁気飽和が起きた場合、MとMcは互いの位相が異なる波形なので、
Md=M−Mc≠0
である。そのため、Mdに対し、適当な閾値Md_limを決めておけば、第2の比較部において、
|Md|<Md_lim
という関係式(|Md|はMdの絶対値)により、|Md|がMd_limよりも大きくなれば、Mdだけでも磁気飽和が起きていることが検知できる。
そして、θdが0であるところで、Mdは0にはならないという関係があるので、実施形態1ではθdが0であるところで磁気飽和の検出ができなかったが、その時Mdは0ではないので、θdの代わりに磁気飽和が検出可能である。
If magnetic saturation does not occur, the strength of the magnetic field observed from the Hall element does not change in either the XY coordinate system or the XY45 coordinate system. That is, M = Mc. Therefore, Md is 0. However, when magnetic saturation occurs, M and Mc are waveforms with different phases,
Md = M−Mc ≠ 0
It is. Therefore, if an appropriate threshold value Md_lim is determined for Md, in the second comparison unit,
| Md | <Md_lim
According to the relational expression (| Md | is the absolute value of Md), if | Md | is larger than Md_lim, it can be detected that magnetic saturation occurs even with Md alone.
Since there is a relationship that Md does not become 0 when θd is 0, magnetic saturation cannot be detected when θd is 0 in the first embodiment. However, since Md is not 0 at that time, θd Magnetic saturation can be detected instead of.
従って、第1の比較部33aにおいて、θdとθd_limから磁気飽和(故障)を検知し、第1の故障判定信号を論理和部34へ出力し、第2の比較部33bにおいて、MdとMd_limから磁気飽和(故障)を検知し、第2の故障判定信号を論理和部34へ出力し、論理和部34において、第1及び第2の故障判定信号の論理和を演算することにより、すべての磁場の回転角度で故障情報を出力することができる。つまり、故障検知部30が、角度算出部41の出力に基づいて回転角計測装置が故障であるかどうかを示す第1の故障判定信号と、複数の振幅情報に基づいて回転角計測装置が故障であるかどうかを示す第2の故障判定信号とのうち少なくとも1つが故障であることを示すときに、回転角計測装置が故障していると判定するものである。
以上のように、本発明によって、第1、第2の回転角度θ、θcと、第1、第2の振幅値M、Mcとから、回転角計測装置の故障を検知し、故障情報を出力することができた。その故障の検知は、実施形態1と比べて入力回転磁場の角度に依存しないので、また、実施形態2と比べてホール素子を少なくして、小規模な演算で実施可能な振幅算出部を追加しただけで、確実に故障が検知できる。
Therefore, the
As described above, according to the present invention, a failure of the rotation angle measuring device is detected from the first and second rotation angles θ and θc and the first and second amplitude values M and Mc, and the failure information is output. We were able to. The detection of the failure does not depend on the angle of the input rotating magnetic field as compared with the first embodiment, and the number of Hall elements is reduced as compared with the second embodiment, and an amplitude calculation unit that can be implemented with a small-scale calculation is added It is possible to detect a failure with certainty.
図22は、図18における故障検知部の他の具体例を示す回路構成図である。
図22の故障検知部30は、第1の減算部31aと、第1の比較部33aと、第1の閾値メモリ32aと、第2の比較部33bと、第2の閾値メモリ32bと、第3の比較部33cと、第3の閾値メモリ(第3の基準信号出力部)32cと論理和部(故障組み合わせ判定部)34とから構成されている。
第1の減算部31aと、第1の比較部33aと、第1の閾値メモリ32aは、図19と同様である。
FIG. 22 is a circuit configuration diagram showing another specific example of the failure detection unit in FIG.
The
The
第2の比較部33bは、第1の振幅値Mと第2の閾値メモリ(に格納されている閾値)M_limとからとから故障を検知し、例えば、MがM_limよりも大きい場合は「1」(故障)を、M_limよりも小さい場合は「0」(正常)となる第2の故障判定信号を論理和部34へ出力する。第3の比較部33cは、第2の振幅値Mcと第3の閾値メモリ(に格納されている閾値)Mc_limとから故障を検知し、例えば、McがMc_limよりも大きい場合は「1」(故障)を、Mc_limよりも小さい場合は「0」(正常)となる第3の故障判定信号を論理和部34へ出力する。M_limとMc_limは同じ値でも良い(なお、以下では同じ値として説明する)。つまり、図19における故障検知部30の各比較部と同様に、図22の故障検知部30の各比較部も、故障の場合は「1」を正常の場合は「0」を出力するものである。
The
図20及び図21からわかるように、θdが0となり第1の回転角θと第2の回転角θcの差分からは磁気飽和を検出することができない時、MまたはMcのどちらかがM_limを必ず越えているものである。例えば、磁場回転角度が0度のとき、θdは0であるが、MはM_limを越えている。磁場回転角度が45度のとき、θdは0であるが、McはM_lim(=Mc_lim)を越えている。従って、第2の比較部33bと第3の比較部33cの出力の第2と第3の故障判定信号のどちらかがが「1」または「0」を出力している。
従って、論理和部34において、第1、第2及び第3の故障判定信号の論理和を演算することにより、すべての磁場の回転角度で故障情報を出力することができる。つまり、故障検知部30が、第1〜第3の故障判定信号のうち少なくとも1つが故障であることを示すときに、回転角計測装置が故障していると判定するものである。
つまり、本発明により、θd、M又はMcのみの観測では困難であった、すべての磁場の回転角度での故障情報を正確に出力することができる。
As can be seen from FIG. 20 and FIG. 21, when θd is 0 and magnetic saturation cannot be detected from the difference between the first rotation angle θ and the second rotation angle θc, either M or Mc can set M_lim. It must be exceeded. For example, when the magnetic field rotation angle is 0 degree, θd is 0, but M exceeds M_lim. When the magnetic field rotation angle is 45 degrees, θd is 0, but Mc exceeds M_lim (= Mc_lim). Therefore, one of the second and third failure determination signals output from the
Therefore, by calculating the logical sum of the first, second, and third failure determination signals in the
That is, according to the present invention, it is possible to accurately output failure information at all magnetic field rotation angles, which is difficult when only θd, M, or Mc is observed.
図23は、図18における故障検知部のさらに他の具体例を示す回路構成図である。
図19及び図22の故障検知部30は、第1、第2の回転角度θ、θcと、第1、第2の振幅値M、Mcとから、磁気飽和という故障が起きているかどうか検知するものであったが、図23の故障検知部30は、ホール素子に故障が起きているのか、磁気飽和が起きているのか検知することが可能である。
図23の故障検知部30は、第1の減算部31aと、第1の比較部33aと、第1の閾値メモリ32aと、第2の減算部31bと、第2の比較部33bと、第2の閾値メモリ32bと、飽和故障判定部(故障組み合わせ判定部)35とから構成されている。
FIG. 23 is a circuit configuration diagram showing still another specific example of the failure detection unit in FIG.
The
The
第1の減算部31aは、第1の回転角θと第2の回転角θcからθdを算出し、飽和故障判定部35と第1の比較部33aへと出力する。第1の比較部33aは、θdと第1の閾値メモリ(に格納されている閾値)θd_limとから故障を検知し、例えば、故障の場合は「1」を正常の場合は「0」となる第1の故障判定信号を、飽和故障判定部35へと出力する。
第2の減算部31bは、第1の振幅値Mと第2の振幅値Mcから、Mdを算出し、飽和故障判定部35と第2の比較部33bへと出力する。第2の比較部33bは、Mdと第2の閾値メモリ(に格納されている閾値)Md_limとから故障を検知し、例えば、故障の場合は「1」を正常の場合は「0」となる第2の故障信号を、飽和故障判定部35とへと出力する。
The
The
飽和故障判定部35は、第1の回転角と、θdと、第1の故障判定信号と、Mdと第2の故障判定信号を受け、ホール素子に故障が起きているのか、磁気飽和が起きているのか判定し、ホール素子の故障の場合は故障情報を、磁気飽和の場合は飽和情報を故障情報として出力する。つまり、飽和故障判定部35は、複数の回転角情報のうち1つの回転角情報と、複数の回転角情報のうち2つの回転角情報の差分と、複数の振幅情報のうち2つの振幅情報の差分と、第1の故障判定信号と、第2の故障判定信号とに基づいて、磁気収束板の磁気飽和の判定と、複数のホール素子(複数のホール素子対)の故障の判定とを行う。
The saturation
図24は、磁気収束板が磁気飽和を起こした場合と、XY座標系のホール素子H0の出力がショート(出力が0)となった場合の、第1の回転角θの角度誤差Δθと、θdと、Mdのシミュレーション結果を表す図である。
磁気飽和した時のθdを実線、第1の回転角θの角度誤差Δθを点線、Mdを破線、ホール素子H0の出力がショートした場合のθdを一点鎖線、Mdを二点鎖線で表示している。XY45座標系の第3と第4のホール素子対では故障が起きていないので、第2の回転角θcの角度誤差Δθcは0となり、第1の回転角θの角度誤差Δθはθdと一致するので省略する。
FIG. 24 shows an angle error Δθ of the first rotation angle θ when the magnetic focusing plate is magnetically saturated and when the output of the Hall element H0 in the XY coordinate system is short-circuited (output is 0). It is a figure showing the simulation result of (theta) d and Md.
When the magnetic saturation occurs, θd is indicated by a solid line, angle error Δθ of the first rotation angle θ is indicated by a dotted line, Md is indicated by a broken line, θd when the output of the Hall element H0 is short-circuited, and a dot-dash line and Md are indicated by a two-dot chain line. Yes. Since no failure has occurred in the third and fourth Hall element pairs in the XY45 coordinate system, the angle error Δθc of the second rotation angle θc is 0, and the angle error Δθ of the first rotation angle θ coincides with θd. I will omit it.
図24からわかるように、角度の差分θdが0となるとき、磁気飽和していても故障していてもΔθも0となるので、算出されている第1の回転角θは正しいことが分かる。そして、例えば、磁場の回転角度が0度の時の振幅の差分Mdは、磁気飽和の場合には正であるが、ホール素子の故障の場合、負であることが分かる。従って、角度の差分が、θdが0で第1の回転角θが0のとき、振幅の差分Mdが0でなく負ならば、ホール素子H0のショートが起きている。また、Mdが0でなく正ならば、磁気飽和が起きていると判定できる。
以下の表2に示すように、同様の手順でその他のホール素子H45、H90、H135、H180、H225、H270、H315の故障も判定できる。表においては、θd、第1の故障判定信号、Md、第2の故障判定信号、第1の回転角θ、Mdの正負、判定結果を列として表示している。
As can be seen from FIG. 24, when the angle difference θd is 0, Δθ is 0 even if the magnetic saturation occurs or a failure occurs, so that the calculated first rotation angle θ is correct. . For example, the amplitude difference Md when the rotation angle of the magnetic field is 0 degree is positive in the case of magnetic saturation, but is negative in the case of a failure of the Hall element. Accordingly, when the angle difference is θd = 0 and the first rotation angle θ is 0, if the amplitude difference Md is not 0 but negative, the Hall element H0 is short-circuited. If Md is not 0 but positive, it can be determined that magnetic saturation has occurred.
As shown in Table 2 below, failure of other Hall elements H45, H90, H135, H180, H225, H270, and H315 can be determined in the same procedure. In the table, θd, first failure determination signal, Md, second failure determination signal, first rotation angle θ, positive / negative of Md, and determination results are displayed as columns.
つまり、第1の回転角θと、第1の減算部31aの出力θdと、第1の比較部33aの出力と、第2の減算部31bの出力と、第2の比較部33bの出力とを受けて、飽和故障判定部35が上記の判定を行うことで、ホール素子の故障の場合は故障情報を、磁気飽和の場合は飽和情報を故障情報として出力する。
つまり、第1、第2の回転角度θ、θcと、第1、第2の振幅値M、Mcとから、故障検知部30は、ホール素子に故障が起きているのか、磁気飽和が起きているのか検知することができた。
この本発明による効果は、どのような故障が起きているかが判断できるので、特に、車載用途向けといった安全要求が厳しい用途で使用される回転角センサにおいては、非常に有益なものである。
以上、実施形態の説明からわかるように、磁気収束板下のあるホール素子グループによって形成されるXY座標系において、磁気飽和によって発生する角度誤差及び入力磁場の強度を表す振幅値が4倍波という周期的なものであり、これと異なる位相を持つ角度誤差及び入力磁場の強度を表す振幅値の4倍波を、他のホール素子グループによって形成される他のXY座標系において発生させることで、XY座標系の角度と振幅値と他の座標系の角度と振幅値とから、正確な磁気飽和の検出、又はホール素子の故障を検出することができた。
That is, the first rotation angle θ, the output θd of the
That is, from the first and second rotation angles θ and θc and the first and second amplitude values M and Mc, the
Since the effect of the present invention can determine what kind of failure has occurred, it is very useful especially in a rotation angle sensor used in an application where safety requirements are strict such as for in-vehicle use.
As described above, as can be understood from the description of the embodiment, in the XY coordinate system formed by a certain Hall element group under the magnetic convergence plate, the angular error generated by the magnetic saturation and the amplitude value indicating the strength of the input magnetic field are referred to as a quadruple wave. By generating a quadruple wave of an amplitude value representing an angular error and an input magnetic field intensity that is periodic and has a phase different from this in another XY coordinate system formed by another Hall element group, From the angle and amplitude value of the XY coordinate system and the angle and amplitude value of the other coordinate system, it was possible to accurately detect magnetic saturation or to detect a failure of the Hall element.
なお、以上の振幅算出部42を有する実施形態3の説明において、故障検知部30は、磁気飽和の検出を第1、第2の回転角度θ、θcと、さらに第1、第2の振幅値M、Mcに基づいて行っているが、これまでの説明から明らかなように、第1、第2の回転角度θ、θcを使わずに、第1、第2の振幅値M、Mcに基づいてだけでも、従来技術に比べて磁気飽和のより正確な検出が可能である。つまり、図19に記載の故障検知部30の第2の減算部31bと、第2の比較部33bと、第2の閾値メモリ(第2の基準信号出力部)32bとから磁気飽和のより正確な検出(故障情報の出力)が可能なものである。また、図22に記載の故障検知部30の第2の比較部33bと、第2の閾値メモリ32bと、第3の比較部33cと、第3の閾値メモリ(第3の基準信号出力部)32cとから磁気飽和のより正確な検出(故障情報の出力)が可能なものである。また、これらの場合、回転角度は複数回算出しなくても良い。このような場合も本発明に含まれる。但し、第1、第2の回転角度θ、θcと、さらに第1、第2の振幅値M、Mcに基づくことで、すべての磁場の回転角度での故障情報を正確に出力することができるので好適である。
In the description of the third embodiment having the
また、以上の振幅算出部42を有する実施形態3の説明において、磁気収束板とホール素子の配置は、上述した実施形態1の図7と同じであるとしている。すなわち、XY座標系に対し、追加座標系としてのXY45座標系は、XY座標をGを中心に45°回転させたものとしたが、本発明は、振幅算出部42を有する場合も、上述した配置に限るものではない。すなわち、Gを中心に45°でない追加座標系の場合においても、磁気飽和が起きている場合、XY座標系において算出される入力磁場の強度を表す第1の振幅値Mの4倍波と、他の座標系において算出される第2の振幅値Mcの4倍波は、位相が異なるものであり、磁気飽和のより正確な検出が可能なものであり、その場合も本発明に含まれる。但し、Gを中心に45°回転させた座標系の場合が、振幅値の4倍波の位相が180°ずれたもの同士となるので、両者の比較において最も検出感度が上がり、本発明を利用するのに好適である。
In the description of the third embodiment having the
また、本発明の各実施形態の説明において、図10A〜図10Dや図16や図18の信号処理回路の構成において、ホール素子以後のMUX、減算部、角度算出部、振幅算出部を共通化して、各配置グループのホール素子からの信号を時分割で取得した構成にて説明を行ったが、高速な処理を行うために、X軸減算部、Y軸減算部、角度算出部、振幅算出部をホール素子の配置グループ毎に持たせ、連続的に信号処理を行っても良い。また、平均算出部や故障検知部をホール素子と同じ基板上で形成せずに、外部CPUなどで構成しても良い。このような信号処理回路の構成も本発明の技術的範囲に含まれる。 In the description of each embodiment of the present invention, the MUX, the subtraction unit, the angle calculation unit, and the amplitude calculation unit after the Hall elements are shared in the signal processing circuit configurations of FIGS. 10A to 10D, FIGS. 16 and 18. In the above description, the signals from the Hall elements in each arrangement group have been acquired in a time-sharing manner. However, in order to perform high-speed processing, an X-axis subtraction unit, a Y-axis subtraction unit, an angle calculation unit, and an amplitude calculation A signal processing unit may be provided continuously for each Hall element arrangement group. Further, the average calculation unit and the failure detection unit may be configured by an external CPU or the like without being formed on the same substrate as the Hall element. Such a configuration of the signal processing circuit is also included in the technical scope of the present invention.
上述した全ての実施形態は、ISO26262に準拠したシステムであり、角度算出部がISO26262に準拠して回転磁石の回転角情報を出力するISO26262準拠角度情報出力部である。また、別の見方をすれば、上述した全ての実施形態は、機能安全システムであり、角度算出部が、回転磁石の回転角情報を機能安全で、つまり、functionnally safelyに出力する機能安全角度情報出力部である。さらに、別の見方をすれば、上述した全ての実施形態は、回転角情報2重系出力システムであり、角度算出部が、回転磁石の2重回転角情報を出力する2重角度情報出力部である。 All the embodiments described above are systems that conform to ISO 26262, and the angle calculation unit is an ISO 26262-compliant angle information output unit that outputs rotation angle information of a rotating magnet in accordance with ISO 26262. From another viewpoint, all of the above-described embodiments are functional safety systems, and the angle calculation unit is functionally safe, that is, the functional safety angle information is output to the functionally safe, that is, the rotational angle information of the rotating magnet. It is an output unit. Further, from another point of view, all of the above-described embodiments are rotation angle information dual system output systems, and the angle calculation unit outputs a double angle information output unit that outputs double rotation angle information of a rotating magnet. It is.
[実施形態4]
図25は、本発明に係る回転角計測装置の実施形態4の信号処理回路を示す構成図である。なお、磁気収束板とホール素子の配置は、上述した実施形態1の図7と同じである。
上述したように、図10A〜図10Dや図16や図18の信号処理回路の構成において、高速な処理を行うために、X軸減算部、Y軸減算部、角度算出部、振幅算出部をホール素子の配置グループ毎に持たせ、連続的に信号処理を行っても良い。
図25において、回転角計測装置は、配置Aの第1のホール素子対21(H0、H180)と第2のホール素子対22(H90、H270)と、配置Bの第3のホール素子対23(H45、H225)と第4のホール素子対24(H135、H315)と、第1のX軸減算部26X1と、第1のY軸減算部26Y1と、第1の角度算出部41aと、第1の記憶レジスタ28aと、第2のX軸減算部26X2と、第2のY軸減算部26Y2と、第2の角度算出部41bと、第2の記憶レジスタ28bと、平均値算出部29と、故障検知部30とから構成されている。故障検知部30は、減算部31と閾値比較部33と閾値メモリ32とから構成されている。
[Embodiment 4]
FIG. 25 is a configuration diagram illustrating a signal processing circuit according to the fourth embodiment of the rotation angle measurement device according to the present invention. The arrangement of the magnetic flux concentrating plate and the Hall element is the same as in FIG. 7 of the first embodiment described above.
As described above, in the configuration of the signal processing circuits of FIGS. 10A to 10D, FIG. 16 and FIG. 18, in order to perform high-speed processing, an X-axis subtracting unit, a Y-axis subtracting unit, an angle calculating unit, and an amplitude calculating unit are provided. The signal processing may be performed continuously by providing each Hall element arrangement group.
In FIG. 25, the rotation angle measuring device includes a first Hall element pair 21 (H0, H180) and a second Hall element pair 22 (H90, H270) in arrangement A, and a third
第1の角度算出部41aは、第1のホール素子対21及び第2のホール素子対22の出力信号強度に基づいて回転磁石の第1の回転角θを算出する。第2の角度算出部41bは、第3のホール素子対23及び第4のホール素子対24の出力信号強度に基づいて回転磁石の第2の回転角θcを算出するものである。つまり、本実施形態4では、複数の回転角情報を2つの角度算出部が算出している。
平均値算出部29と故障検知部30は、上述した実施形態1と同様であるので説明を省略する。
図25において、配置Aの第1のホール素子対21(H0、H180)の出力は、第1のX軸減算部26X1に入力される。第2のホール素子対22(H90とH270)の出力は、第1のY軸減算部26Y1に入力される。第1のX軸減算部26X1と第1のY軸減算部26Y1は、それぞれ出力信号HVXとHVYを第1の角度算出部41aに出力する。
The first
Since the average
In FIG. 25, the output of the first Hall element pair 21 (H0, H180) in the arrangement A is input to the first X-axis subtracting unit 26X1. The output of the second Hall element pair 22 (H90 and H270) is input to the first Y-axis subtractor 26Y1. The first X-axis subtractor 26X1 and the first Y-axis subtractor 26Y1 output output signals HVX and HVY to the
第1の角度算出部41aは、HVXとHVYとからXY座標系の角度θを算出し、第1の記憶レジスタ28aに出力する。
配置Bの第3のホール素子対23(H45、H225)の出力は、第2のX軸減算部26X2に入力される。第4のホール素子対24(H135とH315)の出力は、第2のY軸減算部26Y2に入力される。第2のX軸減算部26X2と第2のY軸減算部26Y2は、それぞれ出力信号HVX45とHVY45を第2の角度算出部41bに出力する。
第2の角度算出部41bは、HVX45とHVY45とからXY45座標系の角度θ45を算出し、45°補正した角度θcを第2の記憶レジスタ28bに出力する。第1及び第2の記憶レジスタ28a、28bは、それぞれθとθcを平均値算出部29と故障検知部30へ出力する。
The first
The output of the third Hall element pair 23 (H45, H225) in the arrangement B is input to the second X-axis subtracting unit 26X2. The output of the fourth Hall element pair 24 (H135 and H315) is input to the second Y-axis subtractor 26Y2. The second X-axis subtractor 26X2 and the second Y-axis subtractor 26Y2 output the output signals HVX45 and HVY45 to the
The second
平均値算出部29と故障検知部30の動作は、上述した実施形態1で説明したのと同様である。
このように回転角計測装置を構成したので、第1の回転角と第2の回転角を同時に算出可能であるので、高速な信号処理が可能で、高精度な角度算出と、磁気飽和の検出が高速に行える。
また、このように第1の回転角と第2の回転角を別々の角度算出部にて算出する構成としたので、ホール素子から角度算出部までの間に故障が生じた場合、故障検知部において、第1の回転角と第2の回転角の差分θdにより、実施形態1と同様に、適当な閾値θd_limによって、
|θd|<θd_lim
という関係式で故障も検出することが可能である。
つまり、本発明により、磁気飽和だけでなくホール素子から角度算出部までの故障も検出可能である。
The operations of the average
Since the rotation angle measuring device is configured in this way, the first rotation angle and the second rotation angle can be calculated simultaneously, so that high-speed signal processing is possible, highly accurate angle calculation, and magnetic saturation detection. Can be performed at high speed.
In addition, since the first rotation angle and the second rotation angle are calculated by the separate angle calculation units as described above, when a failure occurs between the Hall element and the angle calculation unit, the failure detection unit In the same manner as in the first embodiment, the difference θd between the first rotation angle and the second rotation angle is set to an appropriate threshold value θd_lim.
| Θd | <θd_lim
It is possible to detect a failure with the relational expression.
That is, according to the present invention, not only magnetic saturation but also a failure from the Hall element to the angle calculation unit can be detected.
[実施形態5]
図26は、本発明に係る回転角計測装置の実施形態5の信号処理回路を示す構成図である。本実施形態5は、上述した実施形態3の角度振幅算出部を別々に有した場合の連続的な信号処理回路の構成を示す構成図である。なお、磁気収束板とホール素子の配置は、上述した実施形態1の図7と同じである。
図26において、回転角計測装置は、配置Aの第1のホール素子対21(H0、H180)と第2のホール素子対22(H90、H270)と、配置Bの第3のホール素子対23(H45、H225)と第4のホール素子対24(H135、H315)と、第1のX軸減算部26X1と、第1のY軸減算部26Y1と、第1の角度振幅算出部40aと、第1の記憶レジスタ28aと、第3の記憶レジスタ28cと、第2のX軸減算部26X2と、第2のY軸減算部26Y2と、第2の角度振幅算出部40bと、第2の記憶レジスタ28bと、第4の記憶レジスタ28dと、平均値算出部29と、故障検知部30とから構成されている。
[Embodiment 5]
FIG. 26 is a block diagram showing a signal processing circuit of the fifth embodiment of the rotation angle measuring apparatus according to the present invention. The fifth embodiment is a configuration diagram illustrating a configuration of a continuous signal processing circuit when the angle amplitude calculation unit of the third embodiment described above is separately provided. The arrangement of the magnetic flux concentrating plate and the Hall element is the same as in FIG. 7 of the first embodiment described above.
In FIG. 26, the rotation angle measuring device includes a first Hall element pair 21 (H0, H180) and a second Hall element pair 22 (H90, H270) in arrangement A, and a third
第1の角度振幅算出部40aは、第1の角度算出部41aと第1の振幅算出部42aとから構成されている。第2の角度振幅算出部40bは、第2の角度算出部41bと第2の振幅算出部42bとから構成されている。
第1の角度算出部41aは、第1のホール素子対21及び第2のホール素子対22の出力信号強度に基づいて回転磁石の第1の回転角θを算出する。第2の角度算出部41bは、第3のホール素子対23及び第4のホール素子対24の出力信号強度に基づいて前記回転磁石の第2の回転角θcを算出するものである。
The first angle
The first
第1の振幅算出部42aは、第1のホール素子対21及び第2のホール素子対22の出力信号強度に基づいて回転磁石からの磁場強度を表す第1の振幅値Mを算出する。第2の振幅算出部42bは、第3のホール素子対23及び第4のホール素子対24の出力信号強度に基づいて回転磁石からの磁場強度を表す第2の振幅値Mcを算出する。平均値算出部29の動作は、上述した実施形態1で説明したものと同様である。
故障検知部30は、上述した実施形態3に記載の図19又は図22又は図23のいずれかで構成されている。
The
The
図26において、配置Aの第1のホール素子対21(H0、H180)の出力は、第1のX軸減算部26X1に入力される。第2のホール素子対22(H90とH270)の出力は、第1のY軸減算部26Y1に入力される。第1のX軸減算部26X1と第1のY軸減算部26Y1は、それぞれ出力信号HVXとHVYを第1の角度振幅算出部40aの第1の角度算出部41a及び第1の振幅算出部42aに出力する。
配置Bの第3のホール素子対23(H45、H225)の出力は、第2のX軸減算部26X2に入力される。第4のホール素子対24(H135とH315)の出力は、第2のY軸減算部26Y2に入力される。第2のX軸減算部26X2と第2のY軸減算部26Y2は、それぞれ出力信号HVX45とHVY45を第2の角度振幅算出部40bの第2の角度算出部41b及び第2の振幅算出部42bに出力する。
In FIG. 26, the output of the first Hall element pair 21 (H0, H180) in the arrangement A is input to the first X-axis subtracting unit 26X1. The output of the second Hall element pair 22 (H90 and H270) is input to the first Y-axis subtractor 26Y1. The first X-axis subtractor 26X1 and the first Y-axis subtractor 26Y1 respectively output the output signals HVX and HVY to the
The output of the third Hall element pair 23 (H45, H225) in the arrangement B is input to the second X-axis subtracting unit 26X2. The output of the fourth Hall element pair 24 (H135 and H315) is input to the second Y-axis subtractor 26Y2. The second X-axis subtractor 26X2 and the second Y-axis subtractor 26Y2 respectively output the output signals HVX45 and HVY45 to the
第1の角度算出部41aは、HVXとHVYとからXY座標系の角度θを算出し、第1の記憶レジスタ28aに出力する。第1の振幅算出部42aは、HVXとHVYとから振幅値Mを算出し、第3の記憶レジスタ28cに出力する。第2の角度算出部41bは、HVX45とHVY45とからXY45座標系の角度θを算出し、第2の記憶レジスタ28bに出力する。第2の振幅算出部42bは、HVX45とHVY45とから振幅値Mcを算出し、第4の記憶レジスタ28dに出力する。
平均値算出部29と故障検知部30は、上述した実施形態3と同様であるので動作の説明は省略する。
このように回転角計測装置を構成したので、第1の回転角と第2の回転角と第1の振幅値と第2の振幅値を同時に算出可能であるので、高速な信号処理が可能で、高精度な角度算出と、故障の検出が高速に行える。
The first
Since the average
Since the rotation angle measuring device is configured in this way, the first rotation angle, the second rotation angle, the first amplitude value, and the second amplitude value can be calculated simultaneously, so that high-speed signal processing is possible. High-precision angle calculation and fault detection can be performed at high speed.
また、このように第1の回転角と第2の回転角を別々の角度算出部にて算出し、第1の振幅値と第2の振幅値を別々の振幅算出部で算出する構成としたので、ホール素子から角度振幅算出部までの間に故障が生じた場合、故障検知部において検出が可能であるとともに、ホール素子の故障を検知できるので、一方の座標系のホール素子で故障が起きても、他方の座標系のホール素子を利用することにより、回転角の計測が継続できる。例えば、配置Aのホール素子に故障が起きた場合、第1の回転角は信頼できなくなるが、配置Bのホール素子に故障は起きていないので、第2の回転角を計測し出力し続けることができる。このような本発明の効果は、車載用途向けといった安全要求が厳しい用途で使用される回転角センサにおいては、非常に有益なものである。つまり、本例は、機能安全システムでありISO26262に準拠したシステムである。 In addition, the first rotation angle and the second rotation angle are calculated by separate angle calculation units in this way, and the first amplitude value and the second amplitude value are calculated by separate amplitude calculation units. Therefore, if a failure occurs between the Hall element and the angle amplitude calculation unit, it can be detected by the failure detection unit and the failure of the Hall element can be detected, so that the failure occurs in the Hall element of one coordinate system. However, the rotation angle measurement can be continued by using the Hall element of the other coordinate system. For example, when a failure occurs in the Hall element in arrangement A, the first rotation angle becomes unreliable, but no failure occurs in the hall element in arrangement B, so the second rotation angle is measured and continuously output. Can do. Such an effect of the present invention is very useful in a rotation angle sensor used in an application requiring strict safety such as an in-vehicle application. That is, this example is a functional safety system and a system that complies with ISO26262.
本発明の各実施形態において、第1の回転角と第2の回転角の差分、又は第1の振幅値と第2の振幅値の差分を、減算部にて算出し、比較部で閾値との比較を行っているが、これと同様な結果をもつものであれば、どのような演算でも本発明に含まれる。
また、実施の形態3及び5の説明において、角度振幅算出部40を、角度算出部41と振幅算出部42とに分け、それぞれ角度の算出と振幅の算出をお行っているが、例えばCORDIC(COordinateRotation DIgital Computer)を使うことで、一つの角度振幅算出部として、角度と振幅を同時に算出することもできる。このような演算手法を使った場合の構成も本発明の範囲に含まれる。
つまり、本発明は、これまでに記載された実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に含まれる。即ち、当業者であればなし得るであろう各種変形や修正を含むことは勿論である。
In each embodiment of the present invention, the difference between the first rotation angle and the second rotation angle, or the difference between the first amplitude value and the second amplitude value is calculated by the subtraction unit, and the threshold value is calculated by the comparison unit. However, any operation having a result similar to this is included in the present invention.
In the description of the third and fifth embodiments, the angle
That is, the present invention is not limited to the embodiments described so far, and design changes within a range not departing from the gist of the present invention are included in the present invention. That is, it goes without saying that various modifications and corrections that can be made by those skilled in the art are included.
1 回転磁石
2 集積回路(シリコン基板)
3 ホール素子
4,14 磁気収束板
11X X軸減算部
11Y Y軸減算部
12 演算部
21(H0、H180) 第1のホール素子対
22(H90、H270) 第2のホール素子対
23(H45、H225) 第3のホール素子対
24(H135、H315) 第4のホール素子対
25,225 MUX(マルチプレクサ)
26X,226X X軸減算部
26X1 第1のX軸減算部
26X2 第2のX軸減算部
26Y,226Y Y軸減算部
26Y1 第1のY軸減算部
26Y2 第2のY軸減算部
27,227 角度算出部
28a,228a 第1の記憶レジスタ
28b,228b 第2の記憶レジスタ
28c,228c 第3の記憶レジスタ
28d 第4の記憶レジスタ
29,229 平均値算出部
30,230 故障検知部
31 減算部(差分算出部)
31a,231a 第1の減算部
31b,231b 第2の減算部
32,232 閾値メモリ(基準信号出力部)
32a 第1の閾値メモリ(第1の基準信号出力部)
32b 第2の閾値メモリ(第2の基準信号出力部)
32c 第3の閾値メモリ(第3の基準信号出力部)
33 閾値比較部
33a,233a 第1の閾値比較部
33b,233b 第2の閾値比較部
33c 第3の閾値比較部
34 論理和部(故障組み合わせ判定部)
35 飽和故障判定部(故障組み合わせ判定部)
40 角度振幅算出部
40a 第1の角度振幅算出部
40b 第2の角度振幅算出部
41 角度算出部
41a 第1の角度算出部
41b 第2の角度算出部
42 振幅算出部
42a 第1の振幅算出部
42b 第2の振幅算出部
121(H0、H180) 第1のホール素子対
122(H90とH270) 第2のホール素子対
123(H30、H210) 第3のホール素子対
124(H120とH300) 第4のホール素子対
125(H60、H240) 第5のホール素子対
126(H150とH330) 第6のホール素子対
1 Rotating
3
26X, 226X X-axis subtractor 26X1 First X-axis subtractor 26X2
31a, 231a
32a First threshold memory (first reference signal output unit)
32b Second threshold memory (second reference signal output unit)
32c Third threshold memory (third reference signal output unit)
33
35 Saturation failure determination unit (failure combination determination unit)
40 angle
Claims (16)
前記複数のホール素子対の感磁面上に設けられた磁気収束板と、
前記磁気収束板を平面視で覆うように前記磁気収束板に近接配置された回転磁石と、
前記複数のホール素子対の複数の対の出力信号に基づいて、前記回転磁石の回転角情報を複数算出する1以上の角度算出部と、
前記複数の回転角情報にそれぞれ対応した前記複数の対の出力信号に基づく複数の振幅情報を算出する振幅算出部と、
前記複数の回転角情報、および、前記複数の振幅情報のうち2つの振幅情報の差分と第1の基準信号出力部が出力する第1の基準信号との比較結果とに基づいて、前記回転角計測装置の故障を検知する故障検知部と、
を備えている回転角計測装置。 A rotation angle measuring device including a plurality of Hall element pairs,
A magnetic converging plate provided on the magnetosensitive surface of the plurality of Hall element pairs;
A rotating magnet disposed close to the magnetic focusing plate so as to cover the magnetic focusing plate in plan view;
Based on the previous SL plurality of output signals of the plurality of pairs of Hall element pair, and one or more angle calculation section that calculates a plurality of rotation angle information of the rotating magnet,
An amplitude calculation unit that calculates a plurality of amplitude information based on the plurality of pairs of output signals respectively corresponding to the plurality of rotation angle information;
Based on the plurality of rotation angle information and a difference between two pieces of amplitude information among the plurality of amplitude information and a comparison result between the first reference signal output by the first reference signal output unit, the rotation angle A failure detection unit for detecting a failure of the measuring device;
A rotation angle measuring device.
前記複数のホール素子対の感磁面上に設けられた磁気収束板と、
前記磁気収束板を平面視で覆うように前記磁気収束板に近接配置された回転磁石と、
前記複数のホール素子対の複数の対の出力信号に基づいて、前記回転磁石の回転角情報を複数算出する1以上の角度算出部と、
前記複数の回転角情報にそれぞれ対応した前記複数の対の出力信号に基づく複数の振幅情報を算出する振幅算出部と、
前記複数の回転角情報、および、前記複数の振幅情報のうち第1の振幅情報と第1の基準信号出力部が出力する第1の基準信号との比較結果と、前記複数の振幅情報のうち前記第1の振幅情報と異なる第2の振幅情報と第2の基準信号出力部が出力する第2の基準信号との比較結果とに基づいて、前記回転角計測装置の故障を検知する故障検知部と、
を備えている回転角計測装置。 A rotation angle measuring device including a plurality of Hall element pairs,
A magnetic converging plate provided on the magnetosensitive surface of the plurality of Hall element pairs;
A rotating magnet disposed close to the magnetic focusing plate so as to cover the magnetic focusing plate in plan view;
Based on the previous SL plurality of output signals of the plurality of pairs of Hall element pair, and one or more angle calculation section that calculates a plurality of rotation angle information of the rotating magnet,
An amplitude calculation unit that calculates a plurality of amplitude information based on the plurality of pairs of output signals respectively corresponding to the plurality of rotation angle information;
Of the plurality of rotation information, the comparison result between the first amplitude information of the plurality of amplitude information and the first reference signal output by the first reference signal output unit, and the plurality of amplitude information Failure detection for detecting a failure of the rotation angle measuring device based on a comparison result between the second amplitude information different from the first amplitude information and the second reference signal output from the second reference signal output unit And
A rotation angle measuring device.
前記複数のホール素子対の感磁面上に設けられた磁気収束板と、
前記磁気収束板を平面視で覆うように前記磁気収束板に近接配置された回転磁石と、
前記複数のホール素子対の複数の対の出力信号に基づいて、前記回転磁石からの磁場強度を表す振幅情報を複数算出する振幅算出部と、
前記複数の振幅情報のうち2つの振幅情報の差分と、第1の基準信号出力部が出力する第1の基準信号とを比較し、前記回転角計測装置の故障を検知する故障検知部と、
を備えている回転角計測装置。 A rotation angle measuring device including a plurality of Hall element pairs,
A magnetic converging plate provided on the magnetosensitive surface of the plurality of Hall element pairs;
A rotating magnet disposed close to the magnetic focusing plate so as to cover the magnetic focusing plate in plan view;
An amplitude calculation unit that calculates a plurality of amplitude information representing the magnetic field intensity from the rotating magnet based on the output signals of the plurality of pairs of the plurality of Hall element pairs;
A failure detection unit that compares a difference between two pieces of amplitude information among the plurality of amplitude information and a first reference signal output by a first reference signal output unit, and detects a failure of the rotation angle measurement device;
A rotation angle measuring device.
前記複数のホール素子対の感磁面上に設けられた磁気収束板と、
前記磁気収束板を平面視で覆うように前記磁気収束板に近接配置された回転磁石と、
前記複数のホール素子対の複数の対の出力信号に基づいて、前記回転磁石からの磁場強度を表す振幅情報を複数算出する振幅算出部と、
前記複数の振幅情報のうち第1の振幅情報と第1の基準信号出力部が出力する第1の基準信号とを比較し、前記複数の振幅情報のうち前記第1の振幅情報と異なる第2の振幅情報と第2の基準信号出力部が出力する第2の基準信号とを比較し、前記回転角計測装置の故障を検知する故障検知部と、
を備えている回転角計測装置。 A rotation angle measuring device including a plurality of Hall element pairs,
A magnetic converging plate provided on the magnetosensitive surface of the plurality of Hall element pairs;
A rotating magnet disposed close to the magnetic focusing plate so as to cover the magnetic focusing plate in plan view;
An amplitude calculation unit that calculates a plurality of amplitude information representing the magnetic field intensity from the rotating magnet based on the output signals of the plurality of pairs of the plurality of Hall element pairs;
Of the plurality of amplitude information, the first amplitude information is compared with the first reference signal output from the first reference signal output unit, and the second amplitude different from the first amplitude information among the plurality of amplitude information. A failure detection unit that compares the amplitude information of the second reference signal output by the second reference signal output unit and detects a failure of the rotation angle measuring device;
A rotation angle measuring device.
前記複数の回転角情報と、第3の基準信号出力部が出力する第3の基準信号とに基づいて、前記回転角計測装置の故障を検知する請求項1に記載の回転角計測装置。 The failure detection unit further detects a failure of the rotation angle measurement device based on the plurality of rotation angle information and a third reference signal output by a third reference signal output unit. Rotation angle measuring device.
前記複数の回転角情報のうち2つの差分と、前記第3の基準信号とに基づいて、前記回転角計測装置の故障を検知する請求項5に記載の回転角計測装置。 The failure detection unit is
The rotation angle measurement device according to claim 5, wherein a failure of the rotation angle measurement device is detected based on two differences among the plurality of rotation angle information and the third reference signal.
前記磁気収束板の磁気飽和を検知する請求項1〜7のいずれか1項に記載の回転角計測装置。 The failure detection unit is
The rotation angle measuring device according to any one of claims 1 to 7, wherein magnetic saturation of the magnetic converging plate is detected.
前記複数の回転角情報に基づいて、前記回転角計測装置が故障であるかどうかを示す第1の故障判定信号を出力し、前記複数の振幅情報に基づいて、前記回転角計測装置が故障であるかどうかを示す第2の故障判定信号を出力し、前記第1及び第2の故障判定信号のうち少なくとも1つが故障であることを示すときに、前記回転角計測装置が故障であると判定する請求項1に記載の回転角計測装置。 The failure detection unit is
Based on the plurality of rotation angle information, a first failure determination signal indicating whether or not the rotation angle measurement device is in failure is output, and on the basis of the plurality of amplitude information, the rotation angle measurement device has failed. When a second failure determination signal indicating whether or not there is present and at least one of the first and second failure determination signals indicates failure, it is determined that the rotation angle measuring device is failed The rotation angle measuring device according to claim 1.
前記複数の回転角情報に基づいて、前記回転角計測装置が故障であるかどうかを示す第1の故障判定信号を出力し、前記複数の振幅情報に基づいて、前記回転角計測装置が故障であるかどうかを示す第2の故障判定信号を出力し、前記複数の回転角情報のうち1つの回転角情報と、前記複数の回転角情報のうち2つの回転角情報の差分と、前記複数の振幅情報のうち2つの振幅情報の差分と、前記第1の故障判定信号と、前記第2の故障判定信号とに基づいて、前記磁気収束板の磁気飽和の判定と、前記複数のホール素子対の故障の判定と、を行う判定部をさらに備えている請求項1に記載の回転角計測装置。 The failure detection unit is
Based on the plurality of rotation angle information, a first failure determination signal indicating whether or not the rotation angle measurement device is in failure is output, and on the basis of the plurality of amplitude information, the rotation angle measurement device has failed. A second failure determination signal indicating whether or not there is, a rotation angle information of one of the plurality of rotation angle information, a difference between two rotation angle information of the plurality of rotation angle information, and the plurality of the plurality of rotation angle information Based on the difference between two pieces of amplitude information among the amplitude information, the first failure determination signal, and the second failure determination signal, determination of magnetic saturation of the magnetic convergence plate, and the plurality of Hall element pairs The rotation angle measuring device according to claim 1, further comprising a determination unit configured to determine whether or not the failure has occurred.
前記角度算出部の出力に基づいて、前記回転角計測装置が故障であるかどうかを示す第1の故障判定信号を出力し、前記第1の振幅情報に基づいて、前記回転角計測装置が故障であるかどうかを示す第2の故障判定信号を出力し、前記第2の振幅情報に基づいて、前記回転角計測装置が故障であるかどうかを示す第3の故障判定信号を出力し、前記第1〜第3の故障判定信号のうち少なくとも1つが故障であることを示すときに、前記回転角計測装置が故障であると判定する請求項2に記載の回転角計測装置。 The failure detection unit is
Based on the output of the angle calculation unit, a first failure determination signal indicating whether or not the rotation angle measurement device is out of order is output. Based on the first amplitude information, the rotation angle measurement device is out of order. A second failure determination signal indicating whether the rotation angle measuring device is in failure based on the second amplitude information, and outputting a third failure determination signal indicating whether the rotation angle measurement device is in failure, The rotation angle measurement device according to claim 2, wherein when at least one of the first to third failure determination signals indicates a failure, the rotation angle measurement device determines that the rotation angle measurement device is in failure.
前記故障検知部は、
前記複数の回転角情報のうち2つの回転角情報の差分を2つ以上算出し、これら2つ以上の差分と前記第3の基準信号とに基づいて、前記回転角計測装置の故障を検知する請求項5〜7のいずれか1項に記載の回転角計測装置。 The plurality of pairs is at least three pairs;
The failure detection unit is
Two or more differences between two rotation angle information among the plurality of rotation angle information are calculated, and a failure of the rotation angle measuring device is detected based on the two or more differences and the third reference signal. The rotation angle measuring device according to any one of claims 5 to 7 .
前記2つ以上の差分と前記第3の基準信号とをそれぞれ比較して前記回転角計測装置が故障であるかどうかを示す信号をそれぞれ出力し、これら信号のうち少なくとも1つが故障であることを示すときに、前記回転角計測装置が故障であると判定する請求項12に記載の回転角計測装置。 The failure detection unit is
The two or more differences and the third reference signal are respectively compared to output a signal indicating whether or not the rotation angle measuring device is malfunctioning, and at least one of these signals is malfunctioning. The rotation angle measurement device according to claim 12, wherein the rotation angle measurement device determines that the rotation angle device is out of order.
前記第1の振幅情報に基づいて、前記回転角計測装置が故障であるかどうかを示す第1の故障判定信号を出力し、前記第2の振幅情報に基づいて、前記回転角計測装置が故障であるかどうかを示す第2の故障判定信号を出力し、前記第1〜第2の故障判定信号のうち少なくとも1つが故障であることを示すときに、前記回転角計測装置が故障であると判定する請求項4に記載の回転角計測装置。 The failure detection unit is
Based on the first amplitude information, a first failure determination signal indicating whether or not the rotation angle measuring device is out of order is output, and based on the second amplitude information, the rotation angle measuring device is out of order. A second failure determination signal indicating whether or not the rotation angle measuring device is in failure when at least one of the first to second failure determination signals indicates failure. The rotation angle measuring device according to claim 4 which judges.
前記磁気収束板の上に極座標が定義されたときに、前記極座標の原点を中心とする円周下に45度ずつそれぞれずらして配置されている請求項1〜14のいずれか1項に記載の回転角計測装置。 The plurality of Hall element pairs are:
15. When polar coordinates are defined on the magnetic converging plate, the polar coordinates are arranged so as to be shifted by 45 degrees below the circumference centered on the origin of the polar coordinates, respectively. Rotation angle measuring device.
前記磁気収束板の上に極座標が定義されたときに、前記極座標の原点を基準として、90°/Nの整数倍(Nは2以上の整数)の角度の座標軸を挟んで2つのホール素子対が配置されている請求項1〜15のいずれか1項に記載の回転角計測装置。 The plurality of Hall element pairs are:
When polar coordinates are defined on the magnetic converging plate, two Hall element pairs sandwiching a coordinate axis of an angle that is an integer multiple of 90 ° / N (N is an integer of 2 or more) with respect to the origin of the polar coordinates. The rotation angle measuring device according to any one of claims 1 to 15, wherein:
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